Several studies were undertaken by various investigators during the last five decades to better understand the engineering behaviour of unsaturated soils. These studies are justified as more than 33% of soils worldwide are found in either arid or semi-arid regions with evaporation losses exceeding water infiltration. Due to this reason, the natural ground water table in these regions is typically at a greater depth and the soil above it is in a state of unsaturated conditions. Foundations of structures such as the housing subdivisions, multi-storey buildings, bridges, retaining walls, silos, and other infrastructure constructed in these regions in sandy soils are usually built within the unsaturated zone (i.e., vadose zone). Limited studies are reported in the literature to understand the influence of capillary stresses (i.e., matric suction) on the bearing capacity, settlement and liquefaction potential of unsaturated sands. The influence of matric suction in the unsaturated zone of the sandy soils is ignored while estimating or evaluating bearing capacity, settlement and liquefaction resistance in conventional engineering practice. The focus of the research presented in the thesis has been directed towards better understanding of these aspects and providing rational and yet simple tools for the design of shallow foundations (i.e., footings) in sands under both static and dynamic loading conditions. Terzaghi (1943) or Meyerhof (1951) equations for bearing capacity and Schmertmann et al. (1978) equation for settlement are routinely used by practicing engineers for sandy soils based on saturated soil properties. The assumption of saturated conditions leads to conservative estimates for bearing capacity; however, neglecting the influence of capillary stresses contributes to unreliable estimates of settlement or differential settlement of footings in unsaturated sands. There are no studies reported in the literature on how capillary stresses influence liquefaction, bearing capacity and settlement behavior in earthquake prone regions under dynamic loading conditions. An extensive experimental program has been undertaken to study these parameters using several specially designed and constructed equipment at the University of Ottawa. The influence of matric suction, confinement and dilation on the bearing capacity of model footings in unsaturated sand was determined using the University of Ottawa Bearing Capacity Equipment (UOBCE-2011). Several series of plate load tests (PLTs) were carried out on a sandy soil both under saturated and unsaturated conditions. Based on these studies, a semi-empirical equation has been proposed for estimating the variation of bearing capacity with respect to matric suction. The saturated shear strength parameters and the soil water characteristic curve (SWCC) are required for using the proposed equation. This equation is consistent with the bearing capacity equation originally proposed by Terzaghi (1943) and later extended by Meyerhof (1951) for saturated soils. Chapter 2 provides the details of these studies. The cone penetration test (CPT) is conventionally used for estimating the bearing capacity of foundations because it is simple and quick, while providing continuous records with depth. In this research program, a cone penetrometer was specially designed to investigate the influence of matric suction on the cone resistance in a controlled laboratory environment. Several series of CPTs were conducted in sand under both saturated and unsaturated conditions. Simple correlations were proposed from CPTs data to relate the bearing capacity of shallow foundations to cone resistance in saturated and unsaturated sands. The details of these studies are presented and summarized in Chapter 3. Standard penetration tests (SPTs) and PLTs were conducted in-situ sand deposit at Carp region in Ottawa under both saturated and unsaturated conditions. The test results from the SPTs and PLTs at Carp were used along with other data from the literature for developing correlations for estimating the bearing capacity of both saturated and unsaturated sands. The proposed SPT-CPT-based technique is simple and reliable for estimation of the bearing capacity of footings in sands. Chapter 4 summarizes the details of these investigations. Empirical relationships were proposed using the CPTs data to estimate the modulus of elasticity of sands for settlement estimation of footings in both saturated and unsaturated sands. This was achieved by modifying the Schmertmann et al. (1978) equation, which is conventionally used for settlement estimations in practice. Comparisons are provided between the three CPT-based methods that are commonly used for settlement estimations in practice and the proposed method for seven large scale footings in sandy soils. The results of the comparisons show that the proposed method provides better estimations for both saturated and unsaturated sands. Chapter 5 summarizes the details of these studies. A Flexible Laminar Shear Box (FLSB of 800-mm3 in size) was specially designed and constructed to simulate and better understand the behaviour of model surface footing under seismic loads taking account of the influence of matric suction in an unsaturated sandy soil. The main purpose of using the FLSB is to simulate realistic in-situ soils behaviour during earthquake ground shaking. The FLSB test setup with model footing was placed on unidirectional 1-g shake table (aluminum platform of 1000-mm2 in size) during testing. The resistance of unsaturated sand to deformations and liquefaction under seismic loads was investigated. The results of the study show that matric suction offers significant resistance to liquefaction and settlement of footings in sand. Details of the equipment setup, test procedure and results of this study are presented in Chapter 6. Simple techniques are provided in this thesis for estimating the bearing capacity and settlement behaviour of sandy soils taking account of the influence of capillary stresses (i.e., matric suction). These techniques are consistent with the methods used in conventional geotechnical engineering practice. The studies show that even low values of capillary stresses (i.e., 0 to 5 kPa) increases the bearing capacity by two to four folds, and the settlement of footings not only decreases significantly but also offers resistance to liquefaction in sands. These studies are promising and encouraging to use ground improvement techniques; such as capillary barrier techniques to maintain capillary stresses within the zone of influence below shallow foundations. Such techniques, not only contribute to the increase of bearing capacity, they reduce settlement and alleviate problems associated with earthquake effects in sandy soils.

When a jack-up foundation is installed on seabeds consisting of a sand layer overlying soft clay, potential for 'punch-through' failure exists. This happens due to an abrupt reduction in bearing resistance when the foundation punches a block of sand into the underlying soft clay in an uncontrolled manner. This can lead to a sudden large penetration that can cause temporary decommissioning and even toppling of the unit. This research has addressed this problem with the aim of developing a practical design method for the jack-up industry to assess potential punch-through hazards. This objective has been achieved with the successful development of a new conceptual model for predicting the peak penetration resistance and a consistent method for constructing a complete resistance profile of spudcan foundations penetrating through sand into the underlying clay. The analytical basis of the new conceptual model follows the approach for silo analysis, and takes into account the stress level and dilatant response of sand. It is therefore a significant improvement over the punching shear and load spread models recommended in the current industry guidelines SNAME (2002), which do not consider the strength properties of the sand. To provide relevant experimental data for the new model, an extensive series of 30 continuous penetration tests were performed using the UWA drum centrifuge. These experimental results were retrospectively simulated using finite element (FE) analysis, in order to back-calculate the stress-level dependent friction and dilation angles in the sand during peak penetration resistance. The back-analysis showed that larger values of peak resistance gave lower friction and dilation angles, which is consistent with gradual suppression of dilatancy under high confining stress. When compared to published results from visualisation experiments, the FE analysis showed a similar failure mechanism during peak resistance, where a frustum of sand was forced into the underlying clay, with the outer angle reflecting the dilation in the sand. This has formed the basis of the new conceptual model. The performance of the new model in predicting the experimental peak resistance was compared with other existing analytical methods. Additional experimental results, including those already in the literature, were incorporated in the comparative study. It was found that the new conceptual model generally gave a good prediction of the experimental values, while the prediction from SNAME (2002) was conservative, with the predicted values being about half the experimental results on average. It was also shown that the new model could be modified to predict the post-peak penetration resistance in the sand layer. Finally, an analytical method for predicting the resistance profiles in the underlying clay was devised based on new bearing capacity factors developed through FE analysis. By joining the values of peak resistance, post-peak resistance and the resistance profile in the underlying clay, a complete simplified penetration resistance profile for spudcan foundations in sand overlying clay can be generated. The predicted profiles were shown to match the experimental results well.

Pesquisas recentes têm mostrado que a utilização de camada de reforço em solo-cimento é uma alternativa para o aumento da capacidade de carga e redução dos recalques de fundações superficiais em solos de baixa resistência. Os métodos para previsão da capacidade de carga em sistemas de dupla camada encontrados na literatura trazem implícita a premissa de que a camada superior é contínua ou suficientemente maior que a largura da fundação. O objetivo desta pesquisa foi desenvolver um novo método para o cálculo de capacidade de carga de fundações superficiais assentes sobre uma camada de reforço em solo-cimento, considerando sua extensão lateral. Para tanto, foram realizados ensaios em modelos reduzidos de fundações contínuas assentes sobre um solo arenoso fofo, bem como, análises numéricas através do método dos elementos finitos. Observaram-se dois tipos distintos de ruptura. No primeiro, a camada de reforço é puncionada para dentro do solo natural, sem apresentar fissuras, até o deslocamento correspondente à capacidade de carga do solo natural No segundo, após um recalque inicial, a camada de reforço rompe com o aparecimento de uma fissura, que pode localizar-se junto à borda ou no eixo da fundação, e se propaga de baixo para cima, à medida que aumentam os recalques. Verificou-se que a máxima tensão de tração na camada de reforço é função da reação do solo na base do reforço e da relação Tr/Hr, onde Tr é a distância horizontal entre a borda da fundação e a borda do reforço e Hr é a espessura do reforço. A partir destas observações, foi desenvolvido um novo método de cálculo com a premissa de que a ruptura ocorra no solo e não na camada de reforço. Assim, é possível calcular a capacidade de carga considerando que fundação e reforço atuam como um elemento único, apoiado na mesma profundidade de assentamento do reforço. Ao mesmo tempo, é apresentada uma equação para previsão da máxima tensão de tração que atuará no reforço, a partir da qual, se pode dimensioná-lo com segurança. / Recent researches have shown that the use of soil-cement reinforcement layer is an alternative to increase bearing capacity and reduce settlements of shallow foundations in low resistance soils. The existing methods for predicting bearing capacity of double layer systems implicitly assume that the top layer is continuous or sufficiently greater than the foundation width. This study aims to develop a new method for bearing capacity calculation of shallow foundations supported by a soil-cement reinforcing layer, considering its lateral extension. Therefore, small scale tests of continuous foundations on a loose sandy soil, as well as, numerical analysis by the finite element method were carried out. It was observed two distinct types of failure. In the first, the reinforcement layer is punched through the sandy soil, without showing any cracking, up to a settlement which corresponds to the sand bearing capacity. In the second, after an initial settlement, the reinforcement layer breaks up, showing a fissure, which may be located near the edge or the axis of foundation, and propagates upward as the settlements continues. It was found that the maximum tensile stress in the reinforcement layer is a function of soil reaction on the reinforcement and the ratio Tr/Hr, where Tr is the horizontal distance between the edge of the foundation and the edge soil-cement layer and Hr is the thickness of the soil-cement layer. From these observations, it was developed a new calculation method, with the assumption that the failure occurs in the soil and not in the reinforcement layer. Thus, it is possible to calculate the bearing capacity considering that foundation and reinforcement act as a single element, supported at the same depth of the reinforcement base. In order to design the soil-cement layer, an equation for the maximum tensile stress prediction is provided.

Fundações profundas, quando solicitadas ao carregamento lateral, são regidas por três critérios de projeto: resistência última do solo, carga última do elemento estrutural e deflexão máxima. Esses critérios atuam em conjunto e é necessário que sejam analisados dessa forma, visto que a falha de um deles é capaz de acarretar o colapso de todo sistema. No que tange à resistência do solo, metodologias de capacidade de carga existentes traduzem o comportamento de solos granulares e coesivos. Dada a particularidade da atuação de solos residuais na mecânica dos solos, não há uma metodologia abrangente para estacas sujeitas a solicitação de carregamento lateral nesse tipo de solo, o qual apresenta comportamento intermediário e estrutura levemente cimentada. Em vista disso, o presente trabalho propõe um método de estimativa de capacidade de carga para estacas carregadas horizontalmente, quando inseridas em solo residual e em casos em que as mesmas apresentam topo locado em superfície de solo tratado. Dessa forma, dados de provas de carga lateral pré-existentes e ensaios de laboratório executados ao longo da pesquisa serviram como base para a proposição do método, fundamentado no comportamento do material quando solicitado ao carregamento lateral Ensaios de resistência à compressão simples, compressão oedométrica, compressão isotrópica e ensaios triaxiais com medidas de módulo cisalhante demonstram que há um ponto em que se dá a quebra da estrutura cimentada do solo, passando o mesmo a se apresentar num arranjo desestruturado, refletido em maiores deformações. Uma relação linear é capaz de equacionar a capacidade de carga, tanto para estacas inseridas em solo residual quanto para estacas executadas em solo com camada superficial melhorada. Essa relação é estabelecida entre a carga de ruptura das estacas ensaiadas e a área de solo adjacente à mesma, mobilizada pelo carregamento. Os resultados demonstram que a capacidade de carga das estacas estudadas é regida pela tensão de plastificação do material. O equacionamento proposto possibilita a obtenção da carga de ruptura com base em ensaios simples e de fácil execução, tal como o ensaio de resistência à compressão simples que estabelece relação direta com a tensão de plastificação do solo estudado. / Deep foundations, when requested to lateral loading, are governed by three design criteria: ultimate soil strength, piles’ ultimate load, and maximum deflection. These criteria act together and must be analyzed in this way, since the failure of one of them is capable of causing the collapse of the entire system. Regarding soil resistance, the current bearing capacity methodologies describe the behavior of granular and cohesive soils. Given the particular behavior of the residual soils in the soil mechanics, there is no comprehensive methodology for piles subject to lateral loads and inserted in this soil type, which presents an intermediate behavior and a lightly cemented structure. Thus, the present work proposes an estimated bearing capacity for crosswise loaded piles, when inserted in residual soil and in soil with the top layer cemented. So, data from preexisting lateral loading tests and laboratory tests, performed during the research, served as a basis for the proposition of the method, based on the behavior of the material when requested to lateral loading Unconfined compression tests, oedometer consolidation tests, isotropic compression, and triaxial tests with measures of shear modulus demonstrate that there is a point where the soil's cemented structure breaks down, presenting itself in a destructured arrangement, reflected by larger strains. A linear relationship is capable of equating the bearing capacity for both, piles inserted in residual soil and piles carried out in soil with improved surface layer. This relationship is established between the rupture load of the piles tested and the area of soil adjacent to it mobilized by the loading. The results shows that the piles' bearing capacity is governed by the yield stress of the material. The proposed equation makes it possible to obtain the rupture load based on simple and easy tests, such as the unconfined compression test that establishes a direct relationship with the yield stress of the studied soil.

O dimensionamento de fundações apoiadas sobre solos reforçados por colunas representa um desafio devido à natureza composta do mesmo e à grande quantidade de inclusões envolvidas no processo de reforço. Do ponto de vista do cálculo da capacidade de carga, as metodologias de dimensionamento propostas na literatura tratam ou de cálculos empíricos, ou de cálculos analíticos para carregamentos puramente verticais, ou utilizam o método de elementos finitos através de análises elasto-plásticas incrementais. No presente trabalho estuda-se, através da análise limite, a capacidade de carga de fundações superficiais apoiadas sobre solos argilosos reforçados por colunas submetidas a cargas inclinadas. Assim, este trabalho constitui uma primeira referência em analisar o efeito do reforço no diagrama de interação que relaciona às componentes da carga. Inicialmente, realizou-se uma análise em estado plano de deformação para um solo reforçado por uma coluna isolada. Foram construídos campos de tensões lineares por trecho, estaticamente admissíveis e que satisfazem o critério de resistência, determinando limites inferiores da capacidade de carga. Trata-se da abordagem estática da análise limite. Na sequência, através da utilização de mecanismos de ruptura cinematicamente admissíveis, foram encontrados limites superiores da capacidade de carga. Trata-se da abordagem cinemática da análise limite. A construção de ábacos permitiu realizar um estudo paramétrico da melhora da capacidade de carga em função dos parâmetros adimensionais, definidos pela geometria e propriedades de resistência. Finalmente, realizou-se uma generalização à situação de um solo reforçado por um grupo de colunas, em estado plano de deformação, mediante a aplicação da abordagem estática e cinemática da análise limite e posterior estudo paramétrico. Os resultados mostraram que, a medida que aumenta a componente horizontal da força, a componente vertical de ruptura diminui. Este fato constitui um risco na edificação de estruturas submetidas a carregamentos inclinados. Os parâmetros adimensionais que controlam a capacidade de carga são: o ângulo de atrito interno do material de reforço e a relação entre o intercepto coesivo do reforço e do solo. Foi encontrado que, para fins práticos, a carga limite é independente da quantidade de colunas, sempre que o volume de reforço seja mantido. / From a practical engineering viewpoint, design of column-reinforced foundations turns to be a challenging task owing to the strong heterogeneity of the geo-composite resulting from the association of native soft soil and the reinforcing soil columns. The design procedures conceived to estimate bearing capacity improvement from this reinforcement technique have mainly dealt with foundations under vertical loading. The purpose of the present work is to investigate the ultimate bearing capacity problem of column-reinforced foundations under inclined loading, within the framework of limit analysis theory. Special emphasis is given to the effect of reinforcement on the interaction diagram relating the foundation load components. Starting from the situation of an isolated column, a lower bound solution for the bearing capacity is derived, in plain strain analysis, by considering statically admissible piecewise linear stress fields that comply with the failure condition everywhere in the foundation soil. On the other hand, the kinematic approach of limit analysis makes it possible, through the implementation of failure mechanisms on the column-reinforced structure, to derive upper bound estimates of the bearing capacity for each value of the inclination angle of applied load. The semi-analytical expressions of both lower and upper bound estimates allow for a parametric study on the improvement of the bearing capacity as a function of dimensionless parameters, which are defined from geometrical and strength properties. In this context, design charts are presented to provide an insight into the reinforcement mechanism. Finally, the generalization of the approaches to the situation of a soil reinforced by a group of columns is presented, considering plain strain analysis. As soon as the horizontal component of the force increases, the vertical component of the bearing capacity decreases. This fact constitutes a risk for structures submitted to inclined loading. The dimensionless parameters that control the bearing capacity are: the reinforcement material friction angle and the relation between the coesion intercept of the reinforcement and the soil. For practical purposes, the bearing capacity doesn’t depend on the column number, but on the reinforcement volume.

Pesquisas recentes têm mostrado que a utilização de camada de reforço em solo-cimento é uma alternativa para o aumento da capacidade de carga e redução dos recalques de fundações superficiais em solos de baixa resistência. Os métodos para previsão da capacidade de carga em sistemas de dupla camada encontrados na literatura trazem implícita a premissa de que a camada superior é contínua ou suficientemente maior que a largura da fundação. O objetivo desta pesquisa foi desenvolver um novo método para o cálculo de capacidade de carga de fundações superficiais assentes sobre uma camada de reforço em solo-cimento, considerando sua extensão lateral. Para tanto, foram realizados ensaios em modelos reduzidos de fundações contínuas assentes sobre um solo arenoso fofo, bem como, análises numéricas através do método dos elementos finitos. Observaram-se dois tipos distintos de ruptura. No primeiro, a camada de reforço é puncionada para dentro do solo natural, sem apresentar fissuras, até o deslocamento correspondente à capacidade de carga do solo natural No segundo, após um recalque inicial, a camada de reforço rompe com o aparecimento de uma fissura, que pode localizar-se junto à borda ou no eixo da fundação, e se propaga de baixo para cima, à medida que aumentam os recalques. Verificou-se que a máxima tensão de tração na camada de reforço é função da reação do solo na base do reforço e da relação Tr/Hr, onde Tr é a distância horizontal entre a borda da fundação e a borda do reforço e Hr é a espessura do reforço. A partir destas observações, foi desenvolvido um novo método de cálculo com a premissa de que a ruptura ocorra no solo e não na camada de reforço. Assim, é possível calcular a capacidade de carga considerando que fundação e reforço atuam como um elemento único, apoiado na mesma profundidade de assentamento do reforço. Ao mesmo tempo, é apresentada uma equação para previsão da máxima tensão de tração que atuará no reforço, a partir da qual, se pode dimensioná-lo com segurança. / Recent researches have shown that the use of soil-cement reinforcement layer is an alternative to increase bearing capacity and reduce settlements of shallow foundations in low resistance soils. The existing methods for predicting bearing capacity of double layer systems implicitly assume that the top layer is continuous or sufficiently greater than the foundation width. This study aims to develop a new method for bearing capacity calculation of shallow foundations supported by a soil-cement reinforcing layer, considering its lateral extension. Therefore, small scale tests of continuous foundations on a loose sandy soil, as well as, numerical analysis by the finite element method were carried out. It was observed two distinct types of failure. In the first, the reinforcement layer is punched through the sandy soil, without showing any cracking, up to a settlement which corresponds to the sand bearing capacity. In the second, after an initial settlement, the reinforcement layer breaks up, showing a fissure, which may be located near the edge or the axis of foundation, and propagates upward as the settlements continues. It was found that the maximum tensile stress in the reinforcement layer is a function of soil reaction on the reinforcement and the ratio Tr/Hr, where Tr is the horizontal distance between the edge of the foundation and the edge soil-cement layer and Hr is the thickness of the soil-cement layer. From these observations, it was developed a new calculation method, with the assumption that the failure occurs in the soil and not in the reinforcement layer. Thus, it is possible to calculate the bearing capacity considering that foundation and reinforcement act as a single element, supported at the same depth of the reinforcement base. In order to design the soil-cement layer, an equation for the maximum tensile stress prediction is provided.

Fundações profundas, quando solicitadas ao carregamento lateral, são regidas por três critérios de projeto: resistência última do solo, carga última do elemento estrutural e deflexão máxima. Esses critérios atuam em conjunto e é necessário que sejam analisados dessa forma, visto que a falha de um deles é capaz de acarretar o colapso de todo sistema. No que tange à resistência do solo, metodologias de capacidade de carga existentes traduzem o comportamento de solos granulares e coesivos. Dada a particularidade da atuação de solos residuais na mecânica dos solos, não há uma metodologia abrangente para estacas sujeitas a solicitação de carregamento lateral nesse tipo de solo, o qual apresenta comportamento intermediário e estrutura levemente cimentada. Em vista disso, o presente trabalho propõe um método de estimativa de capacidade de carga para estacas carregadas horizontalmente, quando inseridas em solo residual e em casos em que as mesmas apresentam topo locado em superfície de solo tratado. Dessa forma, dados de provas de carga lateral pré-existentes e ensaios de laboratório executados ao longo da pesquisa serviram como base para a proposição do método, fundamentado no comportamento do material quando solicitado ao carregamento lateral Ensaios de resistência à compressão simples, compressão oedométrica, compressão isotrópica e ensaios triaxiais com medidas de módulo cisalhante demonstram que há um ponto em que se dá a quebra da estrutura cimentada do solo, passando o mesmo a se apresentar num arranjo desestruturado, refletido em maiores deformações. Uma relação linear é capaz de equacionar a capacidade de carga, tanto para estacas inseridas em solo residual quanto para estacas executadas em solo com camada superficial melhorada. Essa relação é estabelecida entre a carga de ruptura das estacas ensaiadas e a área de solo adjacente à mesma, mobilizada pelo carregamento. Os resultados demonstram que a capacidade de carga das estacas estudadas é regida pela tensão de plastificação do material. O equacionamento proposto possibilita a obtenção da carga de ruptura com base em ensaios simples e de fácil execução, tal como o ensaio de resistência à compressão simples que estabelece relação direta com a tensão de plastificação do solo estudado. / Deep foundations, when requested to lateral loading, are governed by three design criteria: ultimate soil strength, piles’ ultimate load, and maximum deflection. These criteria act together and must be analyzed in this way, since the failure of one of them is capable of causing the collapse of the entire system. Regarding soil resistance, the current bearing capacity methodologies describe the behavior of granular and cohesive soils. Given the particular behavior of the residual soils in the soil mechanics, there is no comprehensive methodology for piles subject to lateral loads and inserted in this soil type, which presents an intermediate behavior and a lightly cemented structure. Thus, the present work proposes an estimated bearing capacity for crosswise loaded piles, when inserted in residual soil and in soil with the top layer cemented. So, data from preexisting lateral loading tests and laboratory tests, performed during the research, served as a basis for the proposition of the method, based on the behavior of the material when requested to lateral loading Unconfined compression tests, oedometer consolidation tests, isotropic compression, and triaxial tests with measures of shear modulus demonstrate that there is a point where the soil's cemented structure breaks down, presenting itself in a destructured arrangement, reflected by larger strains. A linear relationship is capable of equating the bearing capacity for both, piles inserted in residual soil and piles carried out in soil with improved surface layer. This relationship is established between the rupture load of the piles tested and the area of soil adjacent to it mobilized by the loading. The results shows that the piles' bearing capacity is governed by the yield stress of the material. The proposed equation makes it possible to obtain the rupture load based on simple and easy tests, such as the unconfined compression test that establishes a direct relationship with the yield stress of the studied soil.

O dimensionamento de fundações apoiadas sobre solos reforçados por colunas representa um desafio devido à natureza composta do mesmo e à grande quantidade de inclusões envolvidas no processo de reforço. Do ponto de vista do cálculo da capacidade de carga, as metodologias de dimensionamento propostas na literatura tratam ou de cálculos empíricos, ou de cálculos analíticos para carregamentos puramente verticais, ou utilizam o método de elementos finitos através de análises elasto-plásticas incrementais. No presente trabalho estuda-se, através da análise limite, a capacidade de carga de fundações superficiais apoiadas sobre solos argilosos reforçados por colunas submetidas a cargas inclinadas. Assim, este trabalho constitui uma primeira referência em analisar o efeito do reforço no diagrama de interação que relaciona às componentes da carga. Inicialmente, realizou-se uma análise em estado plano de deformação para um solo reforçado por uma coluna isolada. Foram construídos campos de tensões lineares por trecho, estaticamente admissíveis e que satisfazem o critério de resistência, determinando limites inferiores da capacidade de carga. Trata-se da abordagem estática da análise limite. Na sequência, através da utilização de mecanismos de ruptura cinematicamente admissíveis, foram encontrados limites superiores da capacidade de carga. Trata-se da abordagem cinemática da análise limite. A construção de ábacos permitiu realizar um estudo paramétrico da melhora da capacidade de carga em função dos parâmetros adimensionais, definidos pela geometria e propriedades de resistência. Finalmente, realizou-se uma generalização à situação de um solo reforçado por um grupo de colunas, em estado plano de deformação, mediante a aplicação da abordagem estática e cinemática da análise limite e posterior estudo paramétrico. Os resultados mostraram que, a medida que aumenta a componente horizontal da força, a componente vertical de ruptura diminui. Este fato constitui um risco na edificação de estruturas submetidas a carregamentos inclinados. Os parâmetros adimensionais que controlam a capacidade de carga são: o ângulo de atrito interno do material de reforço e a relação entre o intercepto coesivo do reforço e do solo. Foi encontrado que, para fins práticos, a carga limite é independente da quantidade de colunas, sempre que o volume de reforço seja mantido. / From a practical engineering viewpoint, design of column-reinforced foundations turns to be a challenging task owing to the strong heterogeneity of the geo-composite resulting from the association of native soft soil and the reinforcing soil columns. The design procedures conceived to estimate bearing capacity improvement from this reinforcement technique have mainly dealt with foundations under vertical loading. The purpose of the present work is to investigate the ultimate bearing capacity problem of column-reinforced foundations under inclined loading, within the framework of limit analysis theory. Special emphasis is given to the effect of reinforcement on the interaction diagram relating the foundation load components. Starting from the situation of an isolated column, a lower bound solution for the bearing capacity is derived, in plain strain analysis, by considering statically admissible piecewise linear stress fields that comply with the failure condition everywhere in the foundation soil. On the other hand, the kinematic approach of limit analysis makes it possible, through the implementation of failure mechanisms on the column-reinforced structure, to derive upper bound estimates of the bearing capacity for each value of the inclination angle of applied load. The semi-analytical expressions of both lower and upper bound estimates allow for a parametric study on the improvement of the bearing capacity as a function of dimensionless parameters, which are defined from geometrical and strength properties. In this context, design charts are presented to provide an insight into the reinforcement mechanism. Finally, the generalization of the approaches to the situation of a soil reinforced by a group of columns is presented, considering plain strain analysis. As soon as the horizontal component of the force increases, the vertical component of the bearing capacity decreases. This fact constitutes a risk for structures submitted to inclined loading. The dimensionless parameters that control the bearing capacity are: the reinforcement material friction angle and the relation between the coesion intercept of the reinforcement and the soil. For practical purposes, the bearing capacity doesn’t depend on the column number, but on the reinforcement volume.

O dimensionamento de fundações apoiadas sobre solos reforçados por colunas representa um desafio devido à natureza composta do mesmo e à grande quantidade de inclusões envolvidas no processo de reforço. Do ponto de vista do cálculo da capacidade de carga, as metodologias de dimensionamento propostas na literatura tratam ou de cálculos empíricos, ou de cálculos analíticos para carregamentos puramente verticais, ou utilizam o método de elementos finitos através de análises elasto-plásticas incrementais. No presente trabalho estuda-se, através da análise limite, a capacidade de carga de fundações superficiais apoiadas sobre solos argilosos reforçados por colunas submetidas a cargas inclinadas. Assim, este trabalho constitui uma primeira referência em analisar o efeito do reforço no diagrama de interação que relaciona às componentes da carga. Inicialmente, realizou-se uma análise em estado plano de deformação para um solo reforçado por uma coluna isolada. Foram construídos campos de tensões lineares por trecho, estaticamente admissíveis e que satisfazem o critério de resistência, determinando limites inferiores da capacidade de carga. Trata-se da abordagem estática da análise limite. Na sequência, através da utilização de mecanismos de ruptura cinematicamente admissíveis, foram encontrados limites superiores da capacidade de carga. Trata-se da abordagem cinemática da análise limite. A construção de ábacos permitiu realizar um estudo paramétrico da melhora da capacidade de carga em função dos parâmetros adimensionais, definidos pela geometria e propriedades de resistência. Finalmente, realizou-se uma generalização à situação de um solo reforçado por um grupo de colunas, em estado plano de deformação, mediante a aplicação da abordagem estática e cinemática da análise limite e posterior estudo paramétrico. Os resultados mostraram que, a medida que aumenta a componente horizontal da força, a componente vertical de ruptura diminui. Este fato constitui um risco na edificação de estruturas submetidas a carregamentos inclinados. Os parâmetros adimensionais que controlam a capacidade de carga são: o ângulo de atrito interno do material de reforço e a relação entre o intercepto coesivo do reforço e do solo. Foi encontrado que, para fins práticos, a carga limite é independente da quantidade de colunas, sempre que o volume de reforço seja mantido. / From a practical engineering viewpoint, design of column-reinforced foundations turns to be a challenging task owing to the strong heterogeneity of the geo-composite resulting from the association of native soft soil and the reinforcing soil columns. The design procedures conceived to estimate bearing capacity improvement from this reinforcement technique have mainly dealt with foundations under vertical loading. The purpose of the present work is to investigate the ultimate bearing capacity problem of column-reinforced foundations under inclined loading, within the framework of limit analysis theory. Special emphasis is given to the effect of reinforcement on the interaction diagram relating the foundation load components. Starting from the situation of an isolated column, a lower bound solution for the bearing capacity is derived, in plain strain analysis, by considering statically admissible piecewise linear stress fields that comply with the failure condition everywhere in the foundation soil. On the other hand, the kinematic approach of limit analysis makes it possible, through the implementation of failure mechanisms on the column-reinforced structure, to derive upper bound estimates of the bearing capacity for each value of the inclination angle of applied load. The semi-analytical expressions of both lower and upper bound estimates allow for a parametric study on the improvement of the bearing capacity as a function of dimensionless parameters, which are defined from geometrical and strength properties. In this context, design charts are presented to provide an insight into the reinforcement mechanism. Finally, the generalization of the approaches to the situation of a soil reinforced by a group of columns is presented, considering plain strain analysis. As soon as the horizontal component of the force increases, the vertical component of the bearing capacity decreases. This fact constitutes a risk for structures submitted to inclined loading. The dimensionless parameters that control the bearing capacity are: the reinforcement material friction angle and the relation between the coesion intercept of the reinforcement and the soil. For practical purposes, the bearing capacity doesn’t depend on the column number, but on the reinforcement volume.

Orientador: Miriam Gonçalves Miguel / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo / Made available in DSpace on 2018-08-17T14:10:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Scallet_MarcellaMaschietto_M.pdf: 1855400 bytes, checksum: 6ec58c53afe478625fb1fa36239f671c (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: Este trabalho tem como objetivo estudar o comportamento de estacas escavadas de pequeno diâmetro, submetidas a carregamentos axiais de compressão através de provas de carga estática realizadas no Campo Experimental de Mecânica dos Solos e Fundações 2 da Unicamp. O CEMSF2 apresenta um perfil geológico cuja primeira camada é constituída de argila siltosa, coluvionar, laterítica e colapsível. Pretendeu-se avaliar as capacidades de carga e os recalques dessas estacas nas condições: a) sem pré-inundação e sem melhoria de ponta; b) sem pré-inundação e com melhoria de 1 ponta, com o lançamento de um volume de 18 litros de brita 1 no fundo da estaca antes da concretagem; c) com pré-inundação e sem melhoria de ponta e d) com préinundação e com melhoria de ponta. Todas as estacas foram submetidas a dois carregamentos (ensaios e reensaios), sob uma mesma condição acima descrita. Foram instalados tensiômetros convencionais para a leitura das sucções matriciais do solo durante a realização das provas de carga. Através das curvas carga versus recalque foram definidas as capacidades de carga e as resistências ao atrito lateral e de ponta, por meio de métodos de interpretação dessas curvas com o solo sem inundação e préinundado por 48horas, considerando as reduções dos valores da sucção matricial do solo, devido às duas condições de umidade. A capacidade de carga das estacas nos ensaios foi menor do que nos reensaios, para as estacas sem pré-inundação, devido ao aumento da resistência de ponta nos reensaios. Nas provas de carga com préinundação, em geral, não houve aumento de resistência de ponta dos ensaios para os reensa ios. A resistência ao atrito lateral foi maior que a resistência de ponta em todas as provas de carga. O lançamento de brita 1 não trouxe melhorias na capacidade de carga. Reduções consideráveis na capacidade de carga foram observadas em função da pré-inundação do solo, sendo essas reduções mais expressivas para as estacas com melhoria de ponta / Abstract: This paper aims to study the behavior of bored piles of small diameters, subjected to axial compression loads by static load tests carried out at the Field of Experimental Soil Mechanics and Foundation 2 at Unicamp. The CEMSF2 has a geological profile whose first layer is composed of silty clay, with coluvionar, lateritic, and collapsible features.This study intended to evaluate the load capacities and the settlements of these foundations in such conditions: a) without any pre- wetting nor improvement in the tip; b) without any pre-wetting but with a tip improvement, placing a volume of 18 liters of stones 1 in the base of the pile before concreting c) with pre- wetting but without tip improvement and d) with pre-wetting and tip improvement. All these piles were subjected to two loading (tests and retests), under the same test condition described above. Conventional tensiometers were installed to read the matric suctions of the soil during the performance of the load tests. Throughout the load versus settlement curves the load capacities and the strength to lateral friction and tip were defined using methods of interpretation of these curves with the soil without any pre-wetting and 48-hour-pre wetting, considering the reductions of the values of the soil matric suction due to two moisture conditions. The load capacity of piles in the tests was smaller than the one in the retests for the piles without any pre-flooding, due to the increase of the tip strength in the retests. In the load tests with pre-flooding, in general, there was not any increase of strength in the tip of the tests for the retests. The strength to the lateral friction was greater than the tip strength in all loading tests. The placing stones 1did not result any improvement to the bearing capacity. Considerable reductions in bearing capacity were observed because of the pre-wetting soil, such reductions are more significant for the piles with improved tip / Mestrado / Geotecnia / Mestre em Engenharia Civil