Presented in this thesis are two studies that apply nondestructive testing methods to civil engineering problems. The first study examines the relationship between the small-strain and large-strain properties of exhumed cast iron water pipes. Nondestructive and destructive testing programs were performed on eight pipes varying in age from 40 to 130 years. New applications of frequency domain analysis techniques including Fourier and wavelet transforms of ultrasonic pulse velocity measurements are presented. The effects of Lamb wave propagation on the ultrasonic testing results are investigated. Microstructure evaluation revealed two different types of cast iron within the pipes sampled: grey cast iron and ductile iron. A low correlation between wave propagation and large-strain measurements was observed. However, the wave velocities were consistently different between ductile and grey cast iron pipes (14% to 18% difference). Lamb waves were found to contribute significantly to the frequency content of the ultrasonic signals possibly resulting in the poor correlations observed. Therefore, correlations between wave velocities and large strain properties obtained using samples from exhumed water pipes must be used with caution in the condition assessment of aged water pipes especially for grey cast iron pipes. The second study presented in this thesis was performed to evaluate the effectiveness of three geophysical methods for geotechnical site characterization in swamps and environmentally sensitive wetland areas. The geophysical methods evaluated were electrical resistivity imaging (ERI), seismic refraction (SR), and multiple-channel analysis of surface waves (MASW). The geophysical test results were verified against the results from borehole and CPT logs. The ERI results were best for determining the depth to the glacial till. The SR results overestimated the depth to the till because of the presence of a stiffness reversal. The MASW results predicted the depth to the refusal till layer less accurately than the ERI method. However, this method was able to detect the three distinct layers above the till. These methods can be used as a basis for further development to optimize a procedure to reduce the number of boreholes required for conventional site investigations in areas that are environmentally sensitive or where access is restricted.

El presente artículo da a conocer las ventajas y desventajas de los ensayos geofísicos de refracción sísmica y medición de ondas de corte (MASW y MAM) para usos de cimentación en obras de edificaciones, asimismo, presentar una aplicación y comparación con los rangos de las velocidades de ondas de corte presentadas en la última versión de la Norma E.030 de diseño sismorresistente para poder clasificar los estratos de suelos.

Estimates of the depth and variation of lateritic weathering profiles are especially important in tropical areas such as Oahu, HI. Shear-wave velocity data were obtained by a new application of Multi-channel Analysis of Surface Waves (MASW) to map the base of the critical zone, to show variations in the LWP, and to derive weathering rates. The MASW technique proved highly capable of imaging the base of the critical zone, confirmed by lithological well data and direct field measurements. Profile thickness can be obtained without drilling, which has applications in engineering and geochemical studies. The measured rate of advance of the weathering front derived from the thickness measured by MASW ranged from 0.019 m/ka to 0.30 m/ka in mesic zones; about 1500 mm of annual rainfall, while a zone of 800 mm of annual rain fall revealed rates ranging from 0.011 m/ka to 0.013 m/ka. These rates are comparable to geochemically derived rates in previous studies. Standard p-wave seismic reflection data were insufficient for detecting boundaries as the weathering boundaries are gradational and do not produce reflections. Shear-wave models also showed internal velocity variations that may be caused by weathering heterogeneity due to textural differences in parental lava flows. Soil chemistry revealed the nature of weathering products as enriched in Al, Fe, Ni, and Cr, and commonly contain alteration minerals such as halloysite, kaolinite, maghemite, and ferrihydrite. Imaging depth limitations were overcome by innovative experiment designs, pushing the boundaries of the current technology. Increasing offsets and combining dispersion curves allowed for a more objective picking of the dispersion curve into the lower frequency domain. Even further improvements were made from a newly developed form of the active/passive technique. These advancements in technology allowed for detailed imaging of the subsurface with greater modeling confidence. This study showed that velocity models derived from MASW are accurately able to describe laterite weathering profiles in terms of depth and variability, expanding the use of the MASW technique beyond its traditional applications and making it a potential tool of interest for many fields of geoscience.

Multichannel Analysis of Surface Waves (MASW) has become an increasingly popular geophysical method for characterizing subsurface properties. During MASW, a linear array of geophones is used to record the motion generated by Rayleigh waves (vertical motion) or Love waves (horizontal motion). The use of Rayleigh waves for MASW has been well-researched and documented. Although less work has been devoted to understanding the full potential of Love waves, previous research efforts have indicated that Love waves present several situational advantages over Rayleigh waves. Rayleigh and Love waves are dispersive, meaning the phase velocity of the waves is frequency-dependent in a vertically heterogeneous medium. Using the data collected from the generation of Rayleigh or Love waves, a dispersion image is created. Dispersion curves are extracted from this image and an inversion process converts the dispersion curve into a shear velocity (VS) profile that is used to estimate soil stiffness. This inversion process is fundamentally nonlinear and ill-posed, without a unique solution. In other words, there are more unknown than known values and multiple “correct” solutions exist. One way in which the issue of solution non-uniqueness can be mitigated is by collecting and analyzing data from both Rayleigh and Love waves. However, Rayleigh and Love waves are typically generated by different impacts on a source – vertical and horizontal strikes, respectively. Therefore, data acquisition time is significantly increased if both Rayleigh and Love wave data is collected. No studies have systematically examined the simultaneous generation of Rayleigh and Love waves for MASW using a single impact on a single source. An angled source capable of producing both Rayleigh and Love waves with a single strike could significantly improve acquisition times of Rayleigh and Love waves and encourage their joint use for MASW applications. This research effort aims to explore optimal techniques for the simultaneous generation of Rayleigh and Love waves and compare the results to traditional MASW techniques. / Civil Engineering

This study seeks to prove the usefulness of the Multichannel Analysis of Surface Waves (MASW) method as complementary data to conventional geotechnical and geological data in the characterization of areas of landslide risk. The setting is located in a low income housing neighborhood in the city of Campos do Jordão, state of São Paulo, Brazil. The area was devastated by numerous landslides between December 1999 to January 2000 after heavy rainfall in the area. The landslides in this area are known to be shallow. Refraction and MASW surveys were performed in this research and then processed to obtain seismic velocity profiles of the subsurface. In order to better identify the fundamental mode of the Rayleigh wave, separate surveys isolating the vertical and radial components of the Rayleigh wave were performed. By comparing the inverted shear wave ( ) and compressional wave ( ) profiles with the already known geotechnical and geological data of the site, a better understanding of the geological interfaces that constitute the landslide prone area is obtained. / Este estudo busca demonstrar a aplicabilidade do método de análise multicanal de ondas superficiais (MASW) e a importância da integração de seus resultados com os da investigação geológica-geotécnica para a caracterização de áreas sujeitas a deslizamentos de terra. O local de estudo situa-se em uma área residencial com precárias condições de infraestrutura urbana na cidade de Campos do Jordão, estado de São Paulo, Brasil. Na área houve vários episódios de escorregamento entre dezembro de 1999 e janeiro de 2000 após a ocorrência de chuvas intensas. Os escorregamentos nesta área são classificados como rasos. Nesta pesquisa foram realizados ensaios de sísmica de refração e MASW e gerados perfis e seções de velocidade de propagação das ondas sísmicas. Para obter uma melhor identificação do modo fundamental da onda Rayleigh foram realizadas diferentes aquisições visando ao registro das componentes vertical e radial do movimento da onda. A integração dos perfis de velocidades da onda cisalhante (VS) e da onda compressional (VP) com os dados geológicos e geotécnicos obtidos anteriormente permitiu aprimorar o mapeamento das interfaces geológicas importantes para o estudo dos processos de escorregamento do local.

This study seeks to prove the usefulness of the Multichannel Analysis of Surface Waves (MASW) method as complementary data to conventional geotechnical and geological data in the characterization of areas of landslide risk. The setting is located in a low income housing neighborhood in the city of Campos do Jordão, state of São Paulo, Brazil. The area was devastated by numerous landslides between December 1999 to January 2000 after heavy rainfall in the area. The landslides in this area are known to be shallow. Refraction and MASW surveys were performed in this research and then processed to obtain seismic velocity profiles of the subsurface. In order to better identify the fundamental mode of the Rayleigh wave, separate surveys isolating the vertical and radial components of the Rayleigh wave were performed. By comparing the inverted shear wave ( ) and compressional wave ( ) profiles with the already known geotechnical and geological data of the site, a better understanding of the geological interfaces that constitute the landslide prone area is obtained. / Este estudo busca demonstrar a aplicabilidade do método de análise multicanal de ondas superficiais (MASW) e a importância da integração de seus resultados com os da investigação geológica-geotécnica para a caracterização de áreas sujeitas a deslizamentos de terra. O local de estudo situa-se em uma área residencial com precárias condições de infraestrutura urbana na cidade de Campos do Jordão, estado de São Paulo, Brasil. Na área houve vários episódios de escorregamento entre dezembro de 1999 e janeiro de 2000 após a ocorrência de chuvas intensas. Os escorregamentos nesta área são classificados como rasos. Nesta pesquisa foram realizados ensaios de sísmica de refração e MASW e gerados perfis e seções de velocidade de propagação das ondas sísmicas. Para obter uma melhor identificação do modo fundamental da onda Rayleigh foram realizadas diferentes aquisições visando ao registro das componentes vertical e radial do movimento da onda. A integração dos perfis de velocidades da onda cisalhante (VS) e da onda compressional (VP) com os dados geológicos e geotécnicos obtidos anteriormente permitiu aprimorar o mapeamento das interfaces geológicas importantes para o estudo dos processos de escorregamento do local.

Este trabalho teve como objetivo a realização de um estudo sobre o método MASW (Análise Multicanal de Ondas de Superfície) avaliando-se comparativamente resultados obtidos por diferentes fontes (ativas e passivas), ondas Rayleigh e Love e diferentes modos de propagação das ondas de superfície. Dois ensaios sísmicos foram executados: com geometria de aquisição bidimensional e geofones triaxiais de 10Hz, e com geometria linear e geofones de componente vertical de 4,5Hz. Foram realizados estudos com as fontes marreta, compactador de solo, ruído ambiental e com o tráfego de veículos, a última através da técnica Passive Roadside MASW. Resultados de inversões com dados da componente vertical (ondas Rayleigh) das ondas de superfície foram avaliados com os de inversões conjuntas com a componente radial (ondas Rayleigh) e transversal (ondas Love). Analisou-se também os produtos de inversões da curva de dispersão do modo fundamental com os de inversões conjuntas com o primeiro modo superior. Os estudos foram realizados em frente ao Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciência Atmosféricas (IAG) localizado no interior do campus Cidade Universitária Armando de Salles Oliveira (CUASO) da Universidade de São Paulo (USP) no bairro do Butantã, São Paulo. A área de estudo possui informações de sondagem mista com descrição geológica do material e valores SPT (Standard Penetration Test) que foram utilizados para validação dos resultados. O compactador de solo demonstrou ser uma melhor fonte ativa em relação a marreta através de diferentes aspectos: geração de maior energia tanto na componente vertical quanto na transversal; espectros (V,f) de melhor qualidade; os dados apresentam a vantagem de poderem ser processados através da técnica f-k beamforming. A aquisição com o ruído ambiental não possibilitou a interpretação de curvas de dispersão devido ao pouco tempo de aquisição utilizado. Os dados obtidos pela técnica Passive Roadside MASW contribuíram com os dados de ativa através do registro de frequências mais baixas. Além disso, devido a clara identificação do 1° modo superior em seu espectro (V,f) foi possível a identificação do mesmo modo no espectro (V,f) dos dados de ativa, interpretação até então duvidosa. No entanto, a inversão conjunta das curvas de dispersão dos dados Passive Roadside com as dos dados de ativa não resultou em uma melhor inversão comparada com a inversão obtida apenas pelas curvas de ativa. A inversão conjunta de curvas das componentes radial (ondas Rayleigh) e transversal (ondas Love) com as curvas obtidas da componente vertical (ondas Rayleigh) também não trouxe um melhor resultado quando comparada com a inversão alcançada apenas com as curvas da componente vertical. A utilização do primeiro modo superior com o modo fundamental, no entanto, mostrou trazer melhoras significativas nos resultados das inversões em comparação com inversões apenas da curva do modo fundamental. Considerando as incertezas envolvidas os melhores resultados deste trabalho são convergentes com os dados de sondagem da área de estudo. No atual estágio de desenvolvimento do método MASW diversas etapas são bastante dependentes do operador. Neste sentido os estudos realizados neste trabalho contribuem para um melhor entendimento do método nos seus fundamentos, parâmetros de aquisição e processamento. / This work aim to study the MASW (Multichannel Analysis of Surface Waves) method by comparing results obtained with different sources (active and passive), Rayleigh and Love waves and different modes of surface waves propagation. Two seismic tests were performed: one with two-dimensional acquisition geometry and 10Hz triaxial geophones, and the other with linear geometry and 4.5 Hz vertical component geophones. Studies were carried out with the following sources: sledgehammer, rammer compactor, ambient noise and vehicular traffic, the last through the Passive Roadside MASW technique. Inversions results with vertical component data (Rayleigh waves) were evaluated through joint inversions with the radial (Rayleigh waves) and transversal (Love waves) components. It were also analyzed the inversions results of the fundamental mode of the dispersion curve with the results of joint inversions with the first higher mode. The studies were carried out in front of the Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciência Atmosféricas (IAG) (Institute of Astronomy, Geophysics and Atmospheric Science) located inside the university campus Cidade Universitária Armando de Salles Oliveira (CUASO) of Universidade de São Paulo (USP) (University of São Paulo) in the neighborhood of Butantã, São Paulo. The study area has information with a geological material description and SPT (Standard Penetration Test) values that were used to validate the results. The rammer compactor showed to be a better active source in relation to sledgehammer through different aspects: generation of greater energy in vertical and transverse components; better quality of (V,f) spectrum; the data have the advantage that they can be processed using the f-k beamforming technique. The acquisition with ambient noise did not allow the dispersion curves interpretation due to the short acquisition time used. Passive Roadside MASW data contributed to the active data through the lower frequency. Besides that, due to the clear identification of the 1st higher mode in its (V,f) spectrum it was possible to identify the same mode in the (V,f) spectrum of the active data, interpretation that was, until then, doubtful. However, the joint inversion of the Passive Roadside dispersion curves with the active curves did not produce better results compared to the inversion obtained only by the active curves. The joint inversion of dispersion curves from radial (Rayleigh) and transversal (Love waves) components with the curves obtained by the vertical component (Rayleigh waves) also did not bring a better result when compared with the inversion achieved only by the vertical component curves. The use of the first higher mode with the fundamental mode, however, showed significant improvements in the joint inversions results compared to inversions only of the fundamental mode curve. Considering the uncertainties involved, the best results of this work converge with the a priori information of the study area. At the current MASW method stage of development, several steps are quite dependent on the operator. Therefore, the studies carried out in this work contribute to a better understanding of the method in its fundamentals, acquisition parameters and processing.

Este trabalho teve como objetivo a realização de um estudo sobre o método MASW (Análise Multicanal de Ondas de Superfície) avaliando-se comparativamente resultados obtidos por diferentes fontes (ativas e passivas), ondas Rayleigh e Love e diferentes modos de propagação das ondas de superfície. Dois ensaios sísmicos foram executados: com geometria de aquisição bidimensional e geofones triaxiais de 10Hz, e com geometria linear e geofones de componente vertical de 4,5Hz. Foram realizados estudos com as fontes marreta, compactador de solo, ruído ambiental e com o tráfego de veículos, a última através da técnica Passive Roadside MASW. Resultados de inversões com dados da componente vertical (ondas Rayleigh) das ondas de superfície foram avaliados com os de inversões conjuntas com a componente radial (ondas Rayleigh) e transversal (ondas Love). Analisou-se também os produtos de inversões da curva de dispersão do modo fundamental com os de inversões conjuntas com o primeiro modo superior. Os estudos foram realizados em frente ao Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciência Atmosféricas (IAG) localizado no interior do campus Cidade Universitária Armando de Salles Oliveira (CUASO) da Universidade de São Paulo (USP) no bairro do Butantã, São Paulo. A área de estudo possui informações de sondagem mista com descrição geológica do material e valores SPT (Standard Penetration Test) que foram utilizados para validação dos resultados. O compactador de solo demonstrou ser uma melhor fonte ativa em relação a marreta através de diferentes aspectos: geração de maior energia tanto na componente vertical quanto na transversal; espectros (V,f) de melhor qualidade; os dados apresentam a vantagem de poderem ser processados através da técnica f-k beamforming. A aquisição com o ruído ambiental não possibilitou a interpretação de curvas de dispersão devido ao pouco tempo de aquisição utilizado. Os dados obtidos pela técnica Passive Roadside MASW contribuíram com os dados de ativa através do registro de frequências mais baixas. Além disso, devido a clara identificação do 1° modo superior em seu espectro (V,f) foi possível a identificação do mesmo modo no espectro (V,f) dos dados de ativa, interpretação até então duvidosa. No entanto, a inversão conjunta das curvas de dispersão dos dados Passive Roadside com as dos dados de ativa não resultou em uma melhor inversão comparada com a inversão obtida apenas pelas curvas de ativa. A inversão conjunta de curvas das componentes radial (ondas Rayleigh) e transversal (ondas Love) com as curvas obtidas da componente vertical (ondas Rayleigh) também não trouxe um melhor resultado quando comparada com a inversão alcançada apenas com as curvas da componente vertical. A utilização do primeiro modo superior com o modo fundamental, no entanto, mostrou trazer melhoras significativas nos resultados das inversões em comparação com inversões apenas da curva do modo fundamental. Considerando as incertezas envolvidas os melhores resultados deste trabalho são convergentes com os dados de sondagem da área de estudo. No atual estágio de desenvolvimento do método MASW diversas etapas são bastante dependentes do operador. Neste sentido os estudos realizados neste trabalho contribuem para um melhor entendimento do método nos seus fundamentos, parâmetros de aquisição e processamento. / This work aim to study the MASW (Multichannel Analysis of Surface Waves) method by comparing results obtained with different sources (active and passive), Rayleigh and Love waves and different modes of surface waves propagation. Two seismic tests were performed: one with two-dimensional acquisition geometry and 10Hz triaxial geophones, and the other with linear geometry and 4.5 Hz vertical component geophones. Studies were carried out with the following sources: sledgehammer, rammer compactor, ambient noise and vehicular traffic, the last through the Passive Roadside MASW technique. Inversions results with vertical component data (Rayleigh waves) were evaluated through joint inversions with the radial (Rayleigh waves) and transversal (Love waves) components. It were also analyzed the inversions results of the fundamental mode of the dispersion curve with the results of joint inversions with the first higher mode. The studies were carried out in front of the Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciência Atmosféricas (IAG) (Institute of Astronomy, Geophysics and Atmospheric Science) located inside the university campus Cidade Universitária Armando de Salles Oliveira (CUASO) of Universidade de São Paulo (USP) (University of São Paulo) in the neighborhood of Butantã, São Paulo. The study area has information with a geological material description and SPT (Standard Penetration Test) values that were used to validate the results. The rammer compactor showed to be a better active source in relation to sledgehammer through different aspects: generation of greater energy in vertical and transverse components; better quality of (V,f) spectrum; the data have the advantage that they can be processed using the f-k beamforming technique. The acquisition with ambient noise did not allow the dispersion curves interpretation due to the short acquisition time used. Passive Roadside MASW data contributed to the active data through the lower frequency. Besides that, due to the clear identification of the 1st higher mode in its (V,f) spectrum it was possible to identify the same mode in the (V,f) spectrum of the active data, interpretation that was, until then, doubtful. However, the joint inversion of the Passive Roadside dispersion curves with the active curves did not produce better results compared to the inversion obtained only by the active curves. The joint inversion of dispersion curves from radial (Rayleigh) and transversal (Love waves) components with the curves obtained by the vertical component (Rayleigh waves) also did not bring a better result when compared with the inversion achieved only by the vertical component curves. The use of the first higher mode with the fundamental mode, however, showed significant improvements in the joint inversions results compared to inversions only of the fundamental mode curve. Considering the uncertainties involved, the best results of this work converge with the a priori information of the study area. At the current MASW method stage of development, several steps are quite dependent on the operator. Therefore, the studies carried out in this work contribute to a better understanding of the method in its fundamentals, acquisition parameters and processing.

Os métodos de ondas superficiais com ênfase nas ondas Rayleigh foram utilizados como o núcleo desse trabalho de Doutorado. Inicialmente, as ondas Rayleigh foram modeladas permitindo o estudo de sensibilidade de suas curvas de dispersão sob diferentes configurações de parâmetros físicos representando diversos modelos de camadas, em que pôde ser observado parâmetros com maior e menor sensibilidade e também alguns efeitos provocados por baixas razões de Poisson. Além disso, na fase de inversão dos dados a modelagem das ondas Rayleigh foi utilizada para a construção da função objeto, que agregada ao método de mínimos quadrados, a partir do método de Levenberg-Marquardt, permitiu a implementação de um algoritmo de busca local responsável pela inversão de dados das ondas superficiais. Por se tratar de um procedimento de busca local, o algoritmo de inversão foi complementado por uma etapa de pré-inversão com a geração de um modelo inicial para que o procedimento de inversão fosse mais rápido e eficiente. Visando uma eficiência ainda maior do procedimento de inversão, principalmente em modelos de camadas com inversão de velocidades, foi implementado um algoritmo de pós-inversão baseado em um procedimento de tentativa e erro minimizando os valores relativos da raiz quadrada do erro quadrático médio (REQMr) da inversão dos dados. Mais de 50 modelos de camadas foram utilizados para testar a modelagem, a pré-inversão, inversão e pós-inversão dos dados permitindo o ajuste preciso de parâmetros matemáticos e físicos presentes nos diversos scripts implementados em Matlab. Antes de inverter os dados adquiridos em campo, os mesmos precisaram ser tratados na etapa de processamento de dados, cujo objetivo principal é a extração da curva de dispersão originada devido às ondas superficiais. Para isso, foram implementadas, também em Matlab, três metodologias de processamento com abordagens matemáticas distintas. Essas metodologias foram testadas e avaliadas com dados sintéticos e reais em que foi possível constatar as virtudes e deficiências de cada metodologia estudada, bem como as limitações provocadas pela discretização dos dados de campo. Por último, as etapas de processamento, pré-inversão, inversão e pós-inversão dos dados foram unificadas para formar um programa de tratamento de dados de ondas superficiais (Rayleigh). Ele foi utilizado em dados reais originados pelo estudo de um problema geológico na Bacia de Taubaté em que foi possível mapear os contatos geológicos ao longo dos pontos de aquisição sísmica e compará-los a um modelo inicial existente baseado em observações geomorfológicas da área de estudos, mapa geológico da região e informações geológicas globais e locais dos movimentos tectônicos na região. As informações geofísicas associadas às geológicas permitiram a geração de um perfil analítico da região de estudos com duas interpretações geológicas confirmando a suspeita de neotectônica na região em que os contatos geológicos entre os depósitos Terciários e Quaternários foram identificados e se encaixaram no modelo inicial de hemi-graben com mergulho para Sudeste. / The surface wave methods to Rayleigh waves were used as the center of this Doctoral work. Initially, the Rayleigh waves were modeled, what enabled the study of the sensitivity of dispersion curves about different sets of physical parameters representing several layer models, wherein it could be observed parameters with higher and lower sensitivity and also some effects caused by low Poisson ratios. Moreover, in the data inversion step the Rayleigh modeling was used for the construction of the object function, that aggregate to the least-squares method, by Levenberg-Marquardt, allowed the implementation of a local search algorithm responsible for data inversion of the surface waves. By reason of being a local search procedure, the data inversion algorithm was complemented with a pre-inversion step wherein an initial model was generated so that the inversion procedure was faster and efficient. Seeking a more efficiency of the inversion procedure, mainly to layer models with velocities inversion, it was implemented a post-inversion algorithm based in a trial and error procedure minimizing the values of the relative Root Mean Squared Error (rRMSE) of the data inversion. More than 50 layer models were used to test the data modeling, pre-inversion, inversion and post-inversion allowing the precise fit of the mathematical and physical parameters present in the several scripts implemented in Matlab. Before to invert the field-acquired data, they need to be treated in the data processing step, whose main aim is the extraction of the dispersion curve caused due the surface waves. For this, three processing methodologies with different mathematical approaches were implemented, also in Matlab. These methodologies were tested and evaluated with synthetic and real data and it was possible to find their strengths and weaknesses, as well as the limitations caused by discretization of the field data. Lastly, the data processing, pre-inversion, inversion and post-inversion steps were unified to form a complete data treatment program of surface waves (Rayleigh). It was used to real data originated by study of a geological problem in the Bacia de Taubaté wherein it was possible to map the geologic contacts along of the seismic acquisition points. The results were compared to an existing initial model based in geomorphological observations of the study area, geological map and global and local geologic information of the tectonic movements in the region. The geophysical The surface wave methods to Rayleigh waves were used as the center of this Doctoral work. Initially, the Rayleigh waves were modeled, what enabled the study of the sensitivity of dispersion curves about different sets of physical parameters representing several layer models, wherein it could be observed parameters with higher and lower sensitivity and also some effects caused by low Poisson ratios. Moreover, in the data inversion step the Rayleigh modeling was used for the construction of the object function, that aggregate to the least-squares method, by Levenberg-Marquardt, allowed the implementation of a local search algorithm responsible for data inversion of the surface waves. By reason of being a local search procedure, the data inversion algorithm was complemented with a pre-inversion step wherein an initial model was generated so that the inversion procedure was faster and efficient. Seeking a more efficiency of the inversion procedure, mainly to layer models with velocities inversion, it was implemented a post-inversion algorithm based in a trial and error procedure minimizing the values of the relative Root Mean Squared Error (rRMSE) of the data inversion. More than 50 layer models were used to test the data modeling, pre-inversion, inversion and post-inversion allowing the precise fit of the mathematical and physical parameters present in the several scripts implemented in Matlab. Before to invert the field-acquired data, they need to be treated in the data processing step, whose main aim is the extraction of the dispersion curve caused due the surface waves. For this, three processing methodologies with different mathematical approaches were implemented, also in Matlab. These methodologies were tested and evaluated with synthetic and real data and it was possible to find their strengths and weaknesses, as well as the limitations caused by discretization of the field data. Lastly, the data processing, pre-inversion, inversion and post-inversion steps were unified to form a complete data treatment program of surface waves (Rayleigh). It was used to real data originated by study of a geological problem in the Bacia de Taubaté wherein it was possible to map the geologic contacts along of the seismic acquisition points. The results were compared to an existing initial model based in geomorphological observations of the study area, geological map and global and local geologic information of the tectonic movements in the region. The geophysical information associated with geological information allowed the generation of an analytical profile of the study region with two geological interpretation confirming the suspect of neotectonic movements in the region wherein the geological contacts between the quaternary and tertiary deposits were identified and they agreed with the initial model of a hemi-graben with dip to Southeast.

Este trabalho apresenta a caracterização in situ de propriedades de interesse geotécnico de maciços de resíduos sólidos urbanos (RSU) e o estudo das propriedades de resistência ao cisalhamento de RSU com diferentes idades. Foram realizadas investigações por sondagens e com métodos geofísicos sísmicos no Aterro Sanitário de São Carlos (ASSC) e ensaios de cisalhamento direto de grandes dimensões (50x50 cm2) com amostras de diferentes idades de aterramento coletadas no ASSC, no Lixão Desativado de São Carlos e em Aterro Experimental construído nas proximidades do Lixão. As investigações realizadas no ASSC revelaram que as diferentes fases de operação do maciço (aterro controlado e aterro sanitário) produziram dois estratos com diferentes propriedades geotécnicas. A umidade, as velocidades de propagação de ondas sísmicas e o peso específico in situ dos dois estratos são distintos, sendo sempre menores e menos dispersos no estrato mais raso (operado como aterro sanitário) e maiores e mais dispersos no estrato mais profundo (operado como aterro controlado). Realizaram-se tentativas de determinação do peso específico in situ dos RSU com medição dos volumes escavados por substituição de volume. Notou-se que os furos tendiam a diminuir de diâmetro assim que a composição de sondagem era retirada e que o método adotado para avanço dos furos, com trado helicoidal de haste oca, promovia segregação dos componentes atravessados, realizando uma amostragem parcial dos mesmos. Foram calculados valores médios de peso específico in situ para o maciço investigado (9 a 15 kN/m3) e identificadas as principais limitações da aplicação deste método a aterros sanitários. A aplicação de métodos geofísicos sísmicos foi fundamental para a diferenciação dos dois estratos e permitiu que se calculasse o módulo de cisalhamento máximo (Go) dos resíduos, que variou significativamente de um estrato para outro. Foi possível comparar os resultados obtidos com a aplicação do método crosshole e do método multichannel analysis of surface waves (MASW) no mesmo aterro sanitário. A caracterização das seis amostras utilizadas nos ensaios de cisalhamento direto revelou que, apesar de elas representarem idades distintas de disposição dos resíduos (2 a 25 anos) e condições de aterramento variadas (formas de operação dos depósitos, ambientes de decomposição e condições de confinamento), a maioria delas se encontrava em estágio avançado de degradação (fase metanogênica) e apenas a mais recente (2 anos de aterramento) encontrava-se em estágio um pouco menos avançado de degradação (início da fase metanogênica). Todas elas exibiram curvas tensão-deslocamento semelhantes, sem pico ou valor de máxima resistência bem caracterizados. Os parâmetros de resistência ao cisalhamento foram obtidos a partir de níveis específicos de deslocamento. Avaliou-se a influência da amostragem, dos procedimentos de preparação das amostras e da composição gravimétrica de cada uma delas sobre os valores calculados para coesão e ângulo de atrito. Para deslocamentos de 100 mm o resíduo aterrado há dois anos apresentou coesão de 13,7 kPa e ângulo de atrito de 22º. Os resíduos mais degradados, com idades de disposição entre 5 e 25 anos, apresentaram coesão de 4,4 kPa e ângulo de atrito de 30º. Utilizaram-se tensões normais de 50, 150 e 250 kPa. Realizaram-se ainda ensaios de cisalhamento direto de grandes dimensões em uma das amostras com corpos de prova em duas posições: paralela e perpendicular à direção de compactação. Os resultados confirmaram que os RSU têm comportamento anisotrópico, sendo que os corpos de prova ensaiados com os componentes alinhados preferencialmente na posição vertical (rotacionados) têm comportamento de endurecimento ainda mais pronunciado que aqueles ensaiados com os componentes orientados preferencialmente no plano horizontal. / Field and laboratory tests were combined to characterize some in-place geotechnical properties of the waste body in the São Carlos Sanitary Landfill (SCSL). The investigation was carried out using hollow stem auger soundings and seismic geophysical methods in the field, and large-scale direct shear testing in the laboratory. The field investigation revealed two strata with different geotechnical properties and they could be related to the different operational phases of the landfill (controlled landfill and sanitary landfill). Moisture content, seismic wave velocities and in-place unit weight were systematically lower and less scattered in the upper stratum than in the lower stratum. The upper stratum was operated as a sanitary landfill and the lower stratum was operated as a controlled landfill. The investigations with geophysical seismic methods were essential for identifying the two strata and allowed for the calculation of the Poisson ratio and the small strain shear modulus (Go) of the waste body. The Poisson ratio showed no sensibility to the waste stratigraphy, but Go values were significantly higher in the lower stratum. Moreover, the results of two different geophysical methods, namely crosshole and multichannel analysis of surface waves (MASW), could be compared. An attempt was made to estimate overboring using a volume substitution method by filling the boreholes with gravel. This aimed at incorporating this aspect in the calculations of the MSW in-place unit weight. Nevertheless, the borings tended to cave in as soon as the augers were removed and this prevented the evaluation of the overboring. Moreover, the hollow stem auger tended to segregate the larger components of the waste and to bring only the smaller ones to the surface. Despite all these difficulties, average values for the MSW inplace unit weight were be calculated (9 to 15 kN/m3). In the laboratory, large-scale direct shear tests (500 x 500 mm2) were performed to provide an insight on the shear strength response of municipal solid waste (MSW) of different landfilling ages. The test samples were collected from the SCSL, a dumpsite and an experimental landfill. Their landfilling ages ranged from 2 to 25 years. Physico-chemical characterization of the samples revealed that most of them were subjected to the metanogenesis degradation phase, in spite of their different landfilling ages and burial conditions (operational characteristics of the deposits, decomposition environment and confining pressures). Only the newest one (2 years old sample) was subjected to an earlier stage of degradation. In the direct shear tests, all samples showed similar stress-strain curves, with continuous strain hardening and no identifiable maximum stress, despite the large displacements. The influence of sampling method, sample preparation and sample gravimetric composition on the calculated shear resistance parameters is discussed. For a 100-mm displacement the shear resistance of the less degraded waste (2 years of landfilling) is best characterized by cohesion = 13.7 kPa and friction angle = 22º. The more degraded wastes (5 to 25 years old samples) are best characterized by cohesion = 4.4 kPa and friction angle = 30º. The tests were performed with initial normal stresses of 50, 150 and 250 kPa. Specific large direct shear tests were performed to evaluate anisotropy in the MSW shear response. The test samples had the fibrous materials oriented perpendicular or parallel to the horizontal shear surface. Results confirmed the expected anisotropy by showing a hardening behaviour that was more pronounced when the fibrous materials were oriented perpendicular to the shear plan.