Collapse phenomenon is exhibited by two types of residual soils. The first category of collapsing residual soils is believed to be transported soils that have undergone post-depositional pedogenesis. The second category of collapsing residual soils is highly weathered and leached soils formed by in-situ weathering of parent rock. Residual red soils occur in Bangalore District of Karnataka State. Physical and chemical weathering of the gneissic parent rock formed the residual soils of Bangalore District. The red soils of Bangalore District are generally moderate to very highly porous (porosity range 35-50%). These soils are also unsaturated owing to presence of alternate wet and dry seasons and low ground water table. Moderately to highly porous, unsaturated red soils occur in Pernambuco State of Brazil. These residual soils formed by weathering of gneissic rock significantly collapse on wetting under external pressures. Kaolinite is predominant clay mineral in the red soils of Bangalore and Pernambuco Districts. Similarities exist in the mode of soil formation, clay mineralogy, porosity and degree of saturation (Sr) values of the red soils from Pernambuco State, Brazil, and Bangalore District. Given the collapsible nature of red soils from Pernambuco State, Brazil, the red soils from Bangalore District also deserve to be examined for their potential to collapse in the compacted and undisturbed conditions. The roles of initial dry density, compaction water content, clay content and flooding pressure (the external stress at which a laboratory specimen is inundated is termed as flooding pressure in this thesis) in determining the collapse behaviour of compacted soils are well recognized. However, the influences of above parameters on the collapse behaviour of compacted red soil specimens from Bangalore District are lacking. Such studies are essential as they help to identify the critical compaction parameters (dry density and water content), soil composition, and applied stress level that needs to be controlled by the fill designer in order to minimize wetting-induced collapse. The importance of matric suction in the collapse behaviour of unsaturated soils is well recognized. Yet, the influence of matric suction in the collapse behaviour of compacted soils has only been indirectly examined by varying the compaction water content/degree of saturation of the soil specimens. The climate of Bangalore District is characterized by alternate wet and dry seasons which affects the soil microstructure and the matric suction. Both these parameters have a significant influence on collapse behaviour of unsaturated soils. Cyclic wetting and drying is expected to have a significant bearing on the collapse behaviour of residual soils and is therefore examined. The red soil deposits of Bangalore District are important from foundation engineering view point as they are subjected to structural loading. Owing to the presence of alternate wet and dry seasons and low ground water table, red soil deposits of Bangalore District are more often than not unsaturated. These foundation soils would however be susceptible to increase in moisture content from causes such as infiltration of rainwater, leakage of pipes or watering of lawns and plants. Given the porous and unsaturated nature of undisturbed red soils from Bangalore district, their collapsible nature deserves to be examined for reliable estimation of foundation settlements. To achieve the above objectives, experiments are performed that study: 1.The influence of variations in compaction dry density, initial water content and matric suction, clay content and flooding pressure on the collapse behaviour of a representative red soil sample from Bangalore District. 2.The influence of repeated wetting and drying on the collapse behaviour of compacted red soil specimens. 3.The collapsible nature of undisturbed red soil samples from different locations in Bangalore District. The organization of this thesis is as follows: After the first introductory chapter, a detailed review of literature highlighting the need to study the collapse behaviour of unsaturated red soils of Bangalore District, Karnataka in the compacted and undisturbed states comprises Chapter 2. Chapter 3 presents a detailed experimental programme of the study. Details of representative and undisturbed red soil samples from Bangalore District, Karnataka State, India were used in the study are provided. Determination of collapse potential of compacted and undisturbed soil specimens using conventional oedometer is discussed. Determination of matric suction of compacted and undisturbed specimens by ASTM Filter paper method and pore size distributions by mercury intrusion porosimetry is detailed. Methods to perform cyclic wetting and drying of compacted red soil specimens in modified oedometer assemblies is detailed. These experiments are performed to examine the influence of cyclic wetting and drying on the collapse behaviour of compacted red soil specimens. Chapter 4 examines the collapse behaviour of a compacted red soil from Bangalore District. The influence of variations in compaction dry density, initial water content and matric suction, flooding pressure and clay content on the collapse behaviour of the representative red soil from Bangalore District are examined. Besides measuring the initial matric suction of the compacted red soil specimens, mercury intrusion porosimetry was performed on selected compacted red soil specimens. Experimental results showed that compacted red soils from Bangalore District exhibited tendency to swell and collapse at the experimental range of densities and water contents. Red soil specimens compacted to relative compactions > 90 % at water contents below OMC swelled at flooding pressures lower than 200 kPa. Red soil specimens compacted to relative compactions < 90 % at water contents below OMC significantly collapsed at flooding pressures larger than 200 kPa. Hence maintenance of the design water content during construction of compacted red soil fills is essential to minimize wetting induced volume changes. Experiments showed that the relative abundance of coarse pores (60 to 6 μm, pore radius) were mainly affected on increasing the relative compaction of the specimens from 84 % (dry density = 1.49 Mg/m3) to 100 % (dry density = 1.77 Mg/m3). The relative abundance of the coarse and fine (0.01 to 0.002 μm) pores were both affected on increasing the compaction water content from 10.6 to 26.4 %. These variations in pore size distributions provided better insight into the variations of collapse potential with variations in compaction parameters. ASTM filter paper method showed that for the selected compaction conditions the initial matric suction of the compacted red soil specimens varied between 60 and 10,000 kPa. Further, variations in degree of saturation at a constant relative compaction or variations in relative compaction at a constant degree of soil saturation notably affected the matric suction of the compacted soil specimens. It was also inferred that a clay soil with a higher liquid limit is characterized by a higher matric suction at a given water content. Variations in clay content affected the collapse potentials of soil specimens compacted to dry densities of 1.49 and 1.66 Mg/m3. These specimens exhibited maximum collapse at about 26 % clay content. It is suggested that greater destabilization of inter-particle contacts caused by loss of matric suction on flooding was primarily responsible for the soil specimen containing the critical clay content of 26 % to exhibit maximum collapse potential. Increase in initial dry density, initial water content, clay content of the soil specimen and flooding pressure increased the time-duration of collapse of the compacted soil specimens. The time-duration of collapse was observed to range between 3 and 100 minutes for the tested specimens. Chapter 5 examines the influence of alternate wetting and drying on the collapse behaviour of compacted red soil specimens of Bangalore District. The compacted specimens were subjected to alternate wetting and drying cycles at surcharge pressures of 6.25 and 50 kPa in modified oedometer assemblies. Studies were also performed to examine whether the initial placement conditions have any bearing on the collapse behaviour of red soil specimens subjected to four cycles of wetting and drying. Mercury intrusion porosimetry was performed on a few desiccated red soil specimens. Experimental results showed that cyclic wetting and drying caused the desiccated specimens to exhibit similar or lower swell and collapse potentials than the compacted specimens. Such a behaviour resulted despite the desiccated specimens (specimens subjected to four cycles of wetting and drying are termed as desiccated specimens) possessing similar void ratios but much lower water contents than the compacted specimens. The restraining influence of the desiccation bonds and alteration of soil structure is considered responsible for the reduced swell and collapse tendencies of the desiccated specimens. The desiccation bonds imparted higher apparent preconsolidation pressures to the desiccated specimens. The initial compaction conditions also have a strong bearing on the collapse potentials of the desiccated specimens. Compacted red soil specimens subjected to cyclic wetting and drying under a higher surcharge pressure of 50 kPa exhibited larger swell potentials and lower collapse potentials than specimens desiccated at 6.25 kPa. Besides their lower void ratios, the presence of stronger desiccation bonds also contributed to their lower collapse potentials. The presence of stronger desiccation bonds in specimens desiccated under higher surcharge pressure was indicated by their higher apparent preconsolidation pressures. Chapter 6 examines the collapse behaviour of undisturbed red soil specimens from three locations in Bangalore District at a range of flooding pressures. Studies on the variations in initial water content and effect of remoulding on the collapse behaviour of the undisturbed specimens is supplemented by measuring the initial matric suction and performing mercury intrusion porosimetry experiments. Experimental results showed that based on their collapse potential at 200 kPa, the undisturbed red soils of Bangalore District classified as troublesome to moderately troublesome foundation soils. The bonded structure of the undisturbed red soil specimens imparted them higher apparent preconsolidation pressures and lower swell/collapse potentials than their remoulded counterparts. Variations in in-situ dry density, degree of saturation and relative distribution of pore sizes affected the matric suction and collapse potentials of the undisturbed specimens Chapter 7 summarizes the conclusions of this thesis.

No Brasil, a partir do século XX, cada vez mais o transporte ferroviário foi sendo substituído pelo transporte viário. Por conta disso, a demanda por obras de infraestrutura viária é cada vez maior, tanto para transporte de pessoas, mas, principalmente, para transporte de cargas. Outro fator que indica a maior demanda por obras de infraestrutura é o crescimento da economia e da população. A fim de garantir segurança na construção e, principalmente, na operação, são necessárias investigações geológicas-geotécnicas, para caracterizar e estimar parâmetros do material que estão sendo utilizados em obra, para prever seu comportamento. Os parâmetros de resistência ao cisalhamento têm grande importância na condição de estabilidade dos aterros, tanto em fase de construção, em que também se sobressai o parâmetro de pressão neutra B?, quanto em fase de operação, enquanto os parâmetros de deformabilidade são essenciais na estimativa de recalques na fase operacional dos aterros Este trabalho tem como objetivo apresentar estimativas dos parâmetros de resistência ao cisalhamento (ângulo de atrito e a coesão), de deformabilidade de compressibilidade, expansibilidade e de pressão neutra do material utilizado nos aterros dos lotes 14 e 15 do Rodoanel Norte em São Paulo. Os materiais estudados possuem diferentes litologias, entre as quais pode-se citar materiais provenientes de filitos, granitos, ultramilonitos e metabásicas. Assim, foi feito um levantamento dos dados de ensaios de laboratório disponíveis, a saber, ensaios de caracterização, de compactação Proctor Normal, ensaios triaxiais UU não saturado, CU saturado e PN e ensaios de adensamento edométrico. Os ensaios mecânicos foram feitos em amostras compactadas com desvios de umidade em relação à ótima variando entre 0% até 4 e mesmo 5%, mantendo o grau de compactação em torno de 95%. Por fim, os parâmetros de resistência, deformabilidade, compressibilidade e pressão neutra estimados foram comparados por litologia com parâmetros encontrados na literatura técnica, podendo assim serem utilizados em outros projetos em regiões próximas ou que empreguem materiais de mesma origem ou litologia. / In Brazil, from the twentieth century, the rail transportation was replaced by road transportation. Because of that, the demand for road infrastructure is increasing, for the transportation of people and for the freight transportation. Another factor that indicates the greater demand for infrastructure is the growth of the economy and the population. To guarantee safety in the construction and in the operation, geological-geotechnical investigations are necessary to characterize and estimate parameters of the material, that is being used in the civil works to predict its behavior. The parameters of shear strength have a great importance in the condition of stability of the embankments, in construction phase, as the neutral pressure parameter, B?, and in phase of operation, while the deformability parameters are essential in the estimation of settlements in the operational phase of the embankments. The objective of this dissertation is to present estimates of the parameters of shear strength (angle of friction and cohesion), deformability, expansibility, compressibility and neutral pressure of the material used in embankments of two parts of Rodoanel Norte in São Paulo. The studied materials have different lithologies: phyllite, granitic gneisses, ultramilonites and metabasites. Thus, a data survey of the laboratory tests results was done, namely, characterization tests, Normal Proctor compaction text, triaxial UU unsaturated, saturated CU and PN and oedomometric densification tests. The mechanical tests were done on compacted samples with deviations of water content from the optimum ranging from 0% up to 4 and even 5%, maintaining the degree of compaction around 95%. Finally, the estimation of the shear strength parameters, deformability, compressibility, expansibility and neutral pressure were compared by lithology with parameters found in the technical literature so that it can be used in other projects in nearby regions or using materials of the same origin or lithology.

Neste trabalho estuda-se o comportamento tensão-deformação de dois horizontes de um solo residual de gnaisse, pertencentes a um perfil típico da cidade de Viçosa-Minas Gerais, na condição saturada e sob diferentes valores de sucção. O estudo apóia-se em ensaios de caracterização física e mineralógica, em ensaios destinados às análises porosimétricas e morfológicas (lâminas delgadas), e em ensaios de compressão triaxial realizados em corpos de prova não saturados e saturados, estes sujeitos a diferentes direções de cisalhamento, em ambos solos, e distintas trajetórias de tensão, no solo jovem. Nos ensaios triaxiais saturados mostra-se que a resistência dos dois solos foi independente da direção de cisalhamento e que a deformabilidade revelou-se mais anisotrópica no solo maduro, que no solo jovem, este visualmente mais heterogêneo. Mostra-se, que o intercepto de coesão cresce com a sucção numa relação que pode ser bem representada por uma função hiperbólica e que o ângulo de atrito interno praticamente não apresentou variação com a sucção matricial. Apresenta-se uma alternativa de previsão da envoltória de resistência, baseada nos parâmetros de resistência do solo saturado e nos resultados de ensaio correspondente a uma sucção conhecida. A curva de plastificação do solo jovem pôde ser representada razoavelmente bem pela curva adotada nos modelos derivados da mecânica dos solos dos estados críticos (Cam-Clay modificado). A curva é centrada no eixo hidrostático e sua forma não apresenta mudança marcante durante o encruamento do solo, o qual foi obtido através da união de pontos com o mesmo trabalho plástico. / This thesis deals with the stress-strain behavior of a mature soil and a young soil from a typical residual soil of gneiss, as found in Viçosa-MG. This behavior is analyzed under saturated and non saturated conditions. The study rests on physical and mineralogical characterization tests, on porosimetric and morphological analyses (thin section) and on triaxial compression tests performed with saturated and non saturated soil. Saturated young and mature specimens were sheared according to different directions and saturated young soil was also sheared following various stress path. It is shown that the shear strength of saturated soil, both mature and young is independent of shearing direction. However, the visually more homogeneous mature soil showed to be more anisotropic, regarding the deformability, than the young residual soil that visually seems to be heterogeneous. The cohesion intercept tends to increase with soil suction according to a non linear relationship that can be adjusted through a hyperbolic function, while the angle of shearing stress was not influenced by soil suction. An alternative to forecast unsaturated shear strength envelope based on results of saturated soil and on tests performed at a known suction is also presented. The yielding curve of young soil was found to be fairly predicted using modified Cam-Clay model. The yield curve is centered along the hydrostatic axis of stress and its shape didn’t change during soil strain hardening that was obtained by joining the points to that exhibited the same plastic work.

No Brasil, a partir do século XX, cada vez mais o transporte ferroviário foi sendo substituído pelo transporte viário. Por conta disso, a demanda por obras de infraestrutura viária é cada vez maior, tanto para transporte de pessoas, mas, principalmente, para transporte de cargas. Outro fator que indica a maior demanda por obras de infraestrutura é o crescimento da economia e da população. A fim de garantir segurança na construção e, principalmente, na operação, são necessárias investigações geológicas-geotécnicas, para caracterizar e estimar parâmetros do material que estão sendo utilizados em obra, para prever seu comportamento. Os parâmetros de resistência ao cisalhamento têm grande importância na condição de estabilidade dos aterros, tanto em fase de construção, em que também se sobressai o parâmetro de pressão neutra B?, quanto em fase de operação, enquanto os parâmetros de deformabilidade são essenciais na estimativa de recalques na fase operacional dos aterros Este trabalho tem como objetivo apresentar estimativas dos parâmetros de resistência ao cisalhamento (ângulo de atrito e a coesão), de deformabilidade de compressibilidade, expansibilidade e de pressão neutra do material utilizado nos aterros dos lotes 14 e 15 do Rodoanel Norte em São Paulo. Os materiais estudados possuem diferentes litologias, entre as quais pode-se citar materiais provenientes de filitos, granitos, ultramilonitos e metabásicas. Assim, foi feito um levantamento dos dados de ensaios de laboratório disponíveis, a saber, ensaios de caracterização, de compactação Proctor Normal, ensaios triaxiais UU não saturado, CU saturado e PN e ensaios de adensamento edométrico. Os ensaios mecânicos foram feitos em amostras compactadas com desvios de umidade em relação à ótima variando entre 0% até 4 e mesmo 5%, mantendo o grau de compactação em torno de 95%. Por fim, os parâmetros de resistência, deformabilidade, compressibilidade e pressão neutra estimados foram comparados por litologia com parâmetros encontrados na literatura técnica, podendo assim serem utilizados em outros projetos em regiões próximas ou que empreguem materiais de mesma origem ou litologia. / In Brazil, from the twentieth century, the rail transportation was replaced by road transportation. Because of that, the demand for road infrastructure is increasing, for the transportation of people and for the freight transportation. Another factor that indicates the greater demand for infrastructure is the growth of the economy and the population. To guarantee safety in the construction and in the operation, geological-geotechnical investigations are necessary to characterize and estimate parameters of the material, that is being used in the civil works to predict its behavior. The parameters of shear strength have a great importance in the condition of stability of the embankments, in construction phase, as the neutral pressure parameter, B?, and in phase of operation, while the deformability parameters are essential in the estimation of settlements in the operational phase of the embankments. The objective of this dissertation is to present estimates of the parameters of shear strength (angle of friction and cohesion), deformability, expansibility, compressibility and neutral pressure of the material used in embankments of two parts of Rodoanel Norte in São Paulo. The studied materials have different lithologies: phyllite, granitic gneisses, ultramilonites and metabasites. Thus, a data survey of the laboratory tests results was done, namely, characterization tests, Normal Proctor compaction text, triaxial UU unsaturated, saturated CU and PN and oedomometric densification tests. The mechanical tests were done on compacted samples with deviations of water content from the optimum ranging from 0% up to 4 and even 5%, maintaining the degree of compaction around 95%. Finally, the estimation of the shear strength parameters, deformability, compressibility, expansibility and neutral pressure were compared by lithology with parameters found in the technical literature so that it can be used in other projects in nearby regions or using materials of the same origin or lithology.

Neste trabalho estuda-se o comportamento tensão-deformação de dois horizontes de um solo residual de gnaisse, pertencentes a um perfil típico da cidade de Viçosa-Minas Gerais, na condição saturada e sob diferentes valores de sucção. O estudo apóia-se em ensaios de caracterização física e mineralógica, em ensaios destinados às análises porosimétricas e morfológicas (lâminas delgadas), e em ensaios de compressão triaxial realizados em corpos de prova não saturados e saturados, estes sujeitos a diferentes direções de cisalhamento, em ambos solos, e distintas trajetórias de tensão, no solo jovem. Nos ensaios triaxiais saturados mostra-se que a resistência dos dois solos foi independente da direção de cisalhamento e que a deformabilidade revelou-se mais anisotrópica no solo maduro, que no solo jovem, este visualmente mais heterogêneo. Mostra-se, que o intercepto de coesão cresce com a sucção numa relação que pode ser bem representada por uma função hiperbólica e que o ângulo de atrito interno praticamente não apresentou variação com a sucção matricial. Apresenta-se uma alternativa de previsão da envoltória de resistência, baseada nos parâmetros de resistência do solo saturado e nos resultados de ensaio correspondente a uma sucção conhecida. A curva de plastificação do solo jovem pôde ser representada razoavelmente bem pela curva adotada nos modelos derivados da mecânica dos solos dos estados críticos (Cam-Clay modificado). A curva é centrada no eixo hidrostático e sua forma não apresenta mudança marcante durante o encruamento do solo, o qual foi obtido através da união de pontos com o mesmo trabalho plástico. / This thesis deals with the stress-strain behavior of a mature soil and a young soil from a typical residual soil of gneiss, as found in Viçosa-MG. This behavior is analyzed under saturated and non saturated conditions. The study rests on physical and mineralogical characterization tests, on porosimetric and morphological analyses (thin section) and on triaxial compression tests performed with saturated and non saturated soil. Saturated young and mature specimens were sheared according to different directions and saturated young soil was also sheared following various stress path. It is shown that the shear strength of saturated soil, both mature and young is independent of shearing direction. However, the visually more homogeneous mature soil showed to be more anisotropic, regarding the deformability, than the young residual soil that visually seems to be heterogeneous. The cohesion intercept tends to increase with soil suction according to a non linear relationship that can be adjusted through a hyperbolic function, while the angle of shearing stress was not influenced by soil suction. An alternative to forecast unsaturated shear strength envelope based on results of saturated soil and on tests performed at a known suction is also presented. The yielding curve of young soil was found to be fairly predicted using modified Cam-Clay model. The yield curve is centered along the hydrostatic axis of stress and its shape didn’t change during soil strain hardening that was obtained by joining the points to that exhibited the same plastic work.

Uma encosta localizada no município de São José - SC apresenta extenso histórico de instabilidades. Do ponto de vista litológico há predominância de granitoides na área de estudos e a mesma é transpassada por uma falha preenchida por riolito bastante alterado devido à atividade hidrotermal. O intemperismo da rocha granítica deu origem a um perfil de alteração com espessura bastante variável e a solos com características geotécnicas, químicas e mineralógicas distintas, levando à discretização de cinco solos. Quatro solos residuais foram denominados solos residuais de granito amarelo (GrAm), vermelho (GrVm), com biotita (GrBt) e lateritizado (GrLt), e uma argila de preenchimento de descontinuidades (ArBr). Foi realizada uma série de análises químicas, empregadas na quantificação de índices de intemperismo. O avanço do processo de intemperismo tornou os solos residuais mais finos e plásticos e nas áreas em que a alteração hidrotermal foi mais intensa houve a transformação de feldspatos em biotitas. As curvas de retenção solo-água obtidas para os solos saprolíticos são unimodais, mas no caso do solo GrLt os dados experimentais ajustam-se a curvas bimodais. O processo de remoldagem dos solos impacta nos níveis de sucção desenvolvidos. Os ensaios de condutividade hidráulica mostraram que esta propriedade não depende unicamente da porosidade e nível de confinamento, sendo relevante a influência da estrutura e mineralogia. Os solos saprolíticos tem comportamento distinto do apresentado pelo solo GrLt, no qual ocorre brusca redução de ksat com aumento do confinamento. Ensaios de compressão confinada em amostras indeformadas, remoldadas e reconstituídas possibilitaram identificar a manifestação da estrutura e sua influência na deformabilidade dos solos. Constatou-se que esta suplanta a influência da porosidade. Não é possível definir uma única linha de compressão normal que descreva o comportamento de cada material independentemente da forma com que foram preparados os corpos de prova. Nos ensaios triaxiais a estrutura dos materiais atua de forma distinta daquela observada nos ensaios oedométricos, indicando que sua influência depende da trajetória de tensões. A mineralogia parece ter influência na resistência ao cisalhamento destes solos. O solo GrBt apresentou o mais baixo ângulo de atrito, da ordem de 26º. O solo GrVm tem ângulo de atrito de 32º, sendo o maior aqui obtido. Quando remoldados os solos respeitam linhas de estado crítico (CSL) bastante bem definidas, por conta da redução da influência da estrutura nos resultados. Quando indeformados também é possível o ajuste de CSL, mas a dispersão dos dados é maior. O comportamento dos solos não é normalizável, mesmo quando remoldado. Em ensaios ring shear foram medidos ângulos de atrito residual entre 22º (GrAm) e 13,8º (GrLt) nos solos residuais. No solo ArBr o baixo ângulo de atrito residual (8º) se deve à granulometria fina e composição rica em argilominerais e micas. Sua associação ao solo GrBt corrobora a concentração das rupturas de encosta na área de ocorrência destes materiais. As curvas tensão-deformação dos ensaios triaxiais puderam ser satisfatoriamente reproduzidas pelo modelo hardening, o qual foi empregado para representar o comportamento dos solos em análises de estabilidade por meio de elementos finitos. Tais análises foram confirmadas por análises por equilíbrio limite no que tange a definição de áreas mais suscetíveis a rupturas. / A hillside in the municipality of São José - SC has an extensive history of instabilities. Under a lithological point of view, there is a predominance of granitoids in the study area, which is crossed by a fault filled by an altered rhyolite, due to hydrothermal activity. The weathering of the granite rock gave rise to a soil profile with highly variable thickness and soils with distinct geotechnical, chemical and mineralogical properties, leading to the discretization of five soils. They were denominated as four granite residual soils, yellow (GrAm), red (GrVm), with biotite (GrBt) and lateritizated (GrLt), and a clay soil that filled discontinuities (ArBr). A series of chemical analysis was carried out and employed to quantify some weathering indexes. As the weathering processes increased the residual soils became finer and more plastic. In areas where hydrothermal alteration was more intense feldspar was transformed in biotite. Soil suction characteristic curves obtained for the saprolitic soils were unimodal, but in the case of GrLt soil bimodal curves fitted better to experimental data. Remolding of the soils impacted the suction levels developed. Hydraulic conductivity tests have shown that this property does not depend solely on the porosity and confining pressures but the influence of soil structure and mineralogy is relevant. The saprolitic soils show a different behavior as compared to GrLt, which suffers abrupt reduction of ksat when the confinement is increased. Oedometric tests on undisturbed, remolded and reconstituted specimens allowed the identification of the influence of structure on the soil deformability. It was found that this influence is larger than that of porosity. It was not possible to define a unique normal compression line to describe the behavior of each material, regardless of the specimens preparation. In triaxial tests, soil structure acts in a different way from the observed in oedometric tests, indicating that their influence depends on the stress path. The mineralogy appears to have influence on the shear strength of these soils. The soil GrBt has the lowest friction angle, around 26°, and soil GrVm has a friction angle of 32° the largest obtained. When remolded these soils obey critical state lines which are well defined due to the reduction of soil structure influence. Although was possible to define CSL for the undisturbed soil the data dispersion was bigger. These soils do not have normalizable behavior even when remolded. Residual friction angles of residual soils measured through ring shear tests ranged between 22° (GrAm) and 13,8º (GrLt). The soil ArBr showed a very low residual friction angle (8°) due to its fine grain size and its mineralogical composition rich in clay minerals and mica. The association of ArBr soil to the GrBt soil supports the concentration of slope failures in the area of occurrence of these materials. Stress-strain curves of triaxial tests were satisfactorily reproduced by the hardening model, which was employed to represent the soils behavior in stability analyzes using finite element method. Such results were validated by limit equilibrium analysis that were employed to define the areas more susceptible to failures.

Uma encosta localizada no município de São José - SC apresenta extenso histórico de instabilidades. Do ponto de vista litológico há predominância de granitoides na área de estudos e a mesma é transpassada por uma falha preenchida por riolito bastante alterado devido à atividade hidrotermal. O intemperismo da rocha granítica deu origem a um perfil de alteração com espessura bastante variável e a solos com características geotécnicas, químicas e mineralógicas distintas, levando à discretização de cinco solos. Quatro solos residuais foram denominados solos residuais de granito amarelo (GrAm), vermelho (GrVm), com biotita (GrBt) e lateritizado (GrLt), e uma argila de preenchimento de descontinuidades (ArBr). Foi realizada uma série de análises químicas, empregadas na quantificação de índices de intemperismo. O avanço do processo de intemperismo tornou os solos residuais mais finos e plásticos e nas áreas em que a alteração hidrotermal foi mais intensa houve a transformação de feldspatos em biotitas. As curvas de retenção solo-água obtidas para os solos saprolíticos são unimodais, mas no caso do solo GrLt os dados experimentais ajustam-se a curvas bimodais. O processo de remoldagem dos solos impacta nos níveis de sucção desenvolvidos. Os ensaios de condutividade hidráulica mostraram que esta propriedade não depende unicamente da porosidade e nível de confinamento, sendo relevante a influência da estrutura e mineralogia. Os solos saprolíticos tem comportamento distinto do apresentado pelo solo GrLt, no qual ocorre brusca redução de ksat com aumento do confinamento. Ensaios de compressão confinada em amostras indeformadas, remoldadas e reconstituídas possibilitaram identificar a manifestação da estrutura e sua influência na deformabilidade dos solos. Constatou-se que esta suplanta a influência da porosidade. Não é possível definir uma única linha de compressão normal que descreva o comportamento de cada material independentemente da forma com que foram preparados os corpos de prova. Nos ensaios triaxiais a estrutura dos materiais atua de forma distinta daquela observada nos ensaios oedométricos, indicando que sua influência depende da trajetória de tensões. A mineralogia parece ter influência na resistência ao cisalhamento destes solos. O solo GrBt apresentou o mais baixo ângulo de atrito, da ordem de 26º. O solo GrVm tem ângulo de atrito de 32º, sendo o maior aqui obtido. Quando remoldados os solos respeitam linhas de estado crítico (CSL) bastante bem definidas, por conta da redução da influência da estrutura nos resultados. Quando indeformados também é possível o ajuste de CSL, mas a dispersão dos dados é maior. O comportamento dos solos não é normalizável, mesmo quando remoldado. Em ensaios ring shear foram medidos ângulos de atrito residual entre 22º (GrAm) e 13,8º (GrLt) nos solos residuais. No solo ArBr o baixo ângulo de atrito residual (8º) se deve à granulometria fina e composição rica em argilominerais e micas. Sua associação ao solo GrBt corrobora a concentração das rupturas de encosta na área de ocorrência destes materiais. As curvas tensão-deformação dos ensaios triaxiais puderam ser satisfatoriamente reproduzidas pelo modelo hardening, o qual foi empregado para representar o comportamento dos solos em análises de estabilidade por meio de elementos finitos. Tais análises foram confirmadas por análises por equilíbrio limite no que tange a definição de áreas mais suscetíveis a rupturas. / A hillside in the municipality of São José - SC has an extensive history of instabilities. Under a lithological point of view, there is a predominance of granitoids in the study area, which is crossed by a fault filled by an altered rhyolite, due to hydrothermal activity. The weathering of the granite rock gave rise to a soil profile with highly variable thickness and soils with distinct geotechnical, chemical and mineralogical properties, leading to the discretization of five soils. They were denominated as four granite residual soils, yellow (GrAm), red (GrVm), with biotite (GrBt) and lateritizated (GrLt), and a clay soil that filled discontinuities (ArBr). A series of chemical analysis was carried out and employed to quantify some weathering indexes. As the weathering processes increased the residual soils became finer and more plastic. In areas where hydrothermal alteration was more intense feldspar was transformed in biotite. Soil suction characteristic curves obtained for the saprolitic soils were unimodal, but in the case of GrLt soil bimodal curves fitted better to experimental data. Remolding of the soils impacted the suction levels developed. Hydraulic conductivity tests have shown that this property does not depend solely on the porosity and confining pressures but the influence of soil structure and mineralogy is relevant. The saprolitic soils show a different behavior as compared to GrLt, which suffers abrupt reduction of ksat when the confinement is increased. Oedometric tests on undisturbed, remolded and reconstituted specimens allowed the identification of the influence of structure on the soil deformability. It was found that this influence is larger than that of porosity. It was not possible to define a unique normal compression line to describe the behavior of each material, regardless of the specimens preparation. In triaxial tests, soil structure acts in a different way from the observed in oedometric tests, indicating that their influence depends on the stress path. The mineralogy appears to have influence on the shear strength of these soils. The soil GrBt has the lowest friction angle, around 26°, and soil GrVm has a friction angle of 32° the largest obtained. When remolded these soils obey critical state lines which are well defined due to the reduction of soil structure influence. Although was possible to define CSL for the undisturbed soil the data dispersion was bigger. These soils do not have normalizable behavior even when remolded. Residual friction angles of residual soils measured through ring shear tests ranged between 22° (GrAm) and 13,8º (GrLt). The soil ArBr showed a very low residual friction angle (8°) due to its fine grain size and its mineralogical composition rich in clay minerals and mica. The association of ArBr soil to the GrBt soil supports the concentration of slope failures in the area of occurrence of these materials. Stress-strain curves of triaxial tests were satisfactorily reproduced by the hardening model, which was employed to represent the soils behavior in stability analyzes using finite element method. Such results were validated by limit equilibrium analysis that were employed to define the areas more susceptible to failures.

Uma encosta localizada no município de São José - SC apresenta extenso histórico de instabilidades. Do ponto de vista litológico há predominância de granitoides na área de estudos e a mesma é transpassada por uma falha preenchida por riolito bastante alterado devido à atividade hidrotermal. O intemperismo da rocha granítica deu origem a um perfil de alteração com espessura bastante variável e a solos com características geotécnicas, químicas e mineralógicas distintas, levando à discretização de cinco solos. Quatro solos residuais foram denominados solos residuais de granito amarelo (GrAm), vermelho (GrVm), com biotita (GrBt) e lateritizado (GrLt), e uma argila de preenchimento de descontinuidades (ArBr). Foi realizada uma série de análises químicas, empregadas na quantificação de índices de intemperismo. O avanço do processo de intemperismo tornou os solos residuais mais finos e plásticos e nas áreas em que a alteração hidrotermal foi mais intensa houve a transformação de feldspatos em biotitas. As curvas de retenção solo-água obtidas para os solos saprolíticos são unimodais, mas no caso do solo GrLt os dados experimentais ajustam-se a curvas bimodais. O processo de remoldagem dos solos impacta nos níveis de sucção desenvolvidos. Os ensaios de condutividade hidráulica mostraram que esta propriedade não depende unicamente da porosidade e nível de confinamento, sendo relevante a influência da estrutura e mineralogia. Os solos saprolíticos tem comportamento distinto do apresentado pelo solo GrLt, no qual ocorre brusca redução de ksat com aumento do confinamento. Ensaios de compressão confinada em amostras indeformadas, remoldadas e reconstituídas possibilitaram identificar a manifestação da estrutura e sua influência na deformabilidade dos solos. Constatou-se que esta suplanta a influência da porosidade. Não é possível definir uma única linha de compressão normal que descreva o comportamento de cada material independentemente da forma com que foram preparados os corpos de prova. Nos ensaios triaxiais a estrutura dos materiais atua de forma distinta daquela observada nos ensaios oedométricos, indicando que sua influência depende da trajetória de tensões. A mineralogia parece ter influência na resistência ao cisalhamento destes solos. O solo GrBt apresentou o mais baixo ângulo de atrito, da ordem de 26º. O solo GrVm tem ângulo de atrito de 32º, sendo o maior aqui obtido. Quando remoldados os solos respeitam linhas de estado crítico (CSL) bastante bem definidas, por conta da redução da influência da estrutura nos resultados. Quando indeformados também é possível o ajuste de CSL, mas a dispersão dos dados é maior. O comportamento dos solos não é normalizável, mesmo quando remoldado. Em ensaios ring shear foram medidos ângulos de atrito residual entre 22º (GrAm) e 13,8º (GrLt) nos solos residuais. No solo ArBr o baixo ângulo de atrito residual (8º) se deve à granulometria fina e composição rica em argilominerais e micas. Sua associação ao solo GrBt corrobora a concentração das rupturas de encosta na área de ocorrência destes materiais. As curvas tensão-deformação dos ensaios triaxiais puderam ser satisfatoriamente reproduzidas pelo modelo hardening, o qual foi empregado para representar o comportamento dos solos em análises de estabilidade por meio de elementos finitos. Tais análises foram confirmadas por análises por equilíbrio limite no que tange a definição de áreas mais suscetíveis a rupturas. / A hillside in the municipality of São José - SC has an extensive history of instabilities. Under a lithological point of view, there is a predominance of granitoids in the study area, which is crossed by a fault filled by an altered rhyolite, due to hydrothermal activity. The weathering of the granite rock gave rise to a soil profile with highly variable thickness and soils with distinct geotechnical, chemical and mineralogical properties, leading to the discretization of five soils. They were denominated as four granite residual soils, yellow (GrAm), red (GrVm), with biotite (GrBt) and lateritizated (GrLt), and a clay soil that filled discontinuities (ArBr). A series of chemical analysis was carried out and employed to quantify some weathering indexes. As the weathering processes increased the residual soils became finer and more plastic. In areas where hydrothermal alteration was more intense feldspar was transformed in biotite. Soil suction characteristic curves obtained for the saprolitic soils were unimodal, but in the case of GrLt soil bimodal curves fitted better to experimental data. Remolding of the soils impacted the suction levels developed. Hydraulic conductivity tests have shown that this property does not depend solely on the porosity and confining pressures but the influence of soil structure and mineralogy is relevant. The saprolitic soils show a different behavior as compared to GrLt, which suffers abrupt reduction of ksat when the confinement is increased. Oedometric tests on undisturbed, remolded and reconstituted specimens allowed the identification of the influence of structure on the soil deformability. It was found that this influence is larger than that of porosity. It was not possible to define a unique normal compression line to describe the behavior of each material, regardless of the specimens preparation. In triaxial tests, soil structure acts in a different way from the observed in oedometric tests, indicating that their influence depends on the stress path. The mineralogy appears to have influence on the shear strength of these soils. The soil GrBt has the lowest friction angle, around 26°, and soil GrVm has a friction angle of 32° the largest obtained. When remolded these soils obey critical state lines which are well defined due to the reduction of soil structure influence. Although was possible to define CSL for the undisturbed soil the data dispersion was bigger. These soils do not have normalizable behavior even when remolded. Residual friction angles of residual soils measured through ring shear tests ranged between 22° (GrAm) and 13,8º (GrLt). The soil ArBr showed a very low residual friction angle (8°) due to its fine grain size and its mineralogical composition rich in clay minerals and mica. The association of ArBr soil to the GrBt soil supports the concentration of slope failures in the area of occurrence of these materials. Stress-strain curves of triaxial tests were satisfactorily reproduced by the hardening model, which was employed to represent the soils behavior in stability analyzes using finite element method. Such results were validated by limit equilibrium analysis that were employed to define the areas more susceptible to failures.

[pt] Esta tese apresenta um estudo sobre os efeitos do grau de intemperismo de um solo residual de gnaisse facoidal, em suas características física, química, mineralógica, microestrutural e de resistência. O objetivo da presente pesquisa é contribuir, por meio da avaliação de suas características, para o desenvolvimento de um Modelo Conceitual de Comportamento de Solos Residuais, considerando efeitos do grau de intemperismo no comportamento destes. Para tal foram realizados ensaios em três amostras de solos com diferentes graus de alteração, provenientes da mesma rocha de origem. Foram realizados, entre outros, ensaios de caracterização, ensaios de resistividade elétrica, calculados índices de intemperismo químico, analisada a composição mineralógica por meio de lupa binocular e equipamentos de difração de raio-x, realizada avaliação microestrutural por meio de microtomografia computadorizada, ensaios de resistência utilizando-se equipamento triaxial servo-controlado com instrumentação interna de bender elements, e análise da quebra de grãos após os ensaios de resistência. Os ensaios de resistência, realizados na prensa triaxial, com diferentes caminhos de tensões, foram interpretados utilizando-se a Teoria dos Estados Críticos. Observou-se que alguns ensaios de caracterização não se mostraram adequados para a avaliação do grau de intemperismo, para o solo estudado. Este fato pode estar associado à heterogeneidade do material, solo desenvolvido de rochas metamórficas gnáissicas quartzo-feldspáticas, e à dificuldade da coleta dos mesmos. Observou-se que, conforme menor o grau de alteração do solo, maior a resistividade do mesmo De modo geral, os solos estudados apresentaram uma envoltória de resistência única. Observou-se, ainda, que, conforme menor o grau de alteração do solo, maior a curva de plastificação do mesmo. Por meio dos resultados obtidos, verificou-se que a Teoria dos Estados Críticos pode ser aplicada no solo residual estudado. / [en] This thesis presents a study about the effects of the weathering degree of a phacoidal gneiss residual soil, in its physical, chemical, mineralogical, microstructural and resistance characteristics. The objective of the present research is to contribute, through the evaluation of its characteristics, to the development of a Conceptual Model of Residual Soil Behavior, considering the effects of the weathering degree on its behavior. For this, tests were carried out on three samples of soils with different weathering degrees, originating from the same rock. Some executed test were characterization tests, electrical resistivity tests, chemical weathering indexes calculation, mineralogical analysis using binocular magnifying glass and X-ray diffraction, microstructural evaluation by microtomography, resistance tests using triaxial servo-controlled equipment with internal instrumentation of bender elements, and grain break analysis after resistance tests. The resistance tests, realized in the triaxial press, with different stress path, were also interpreted using the Critical States Theory. It was observed that some characterization tests were not adequate for the weathering degree evaluation, for the studied soil. This fact may be associated with the soil heterogeneity, soil developed from metamorphic gneissic quartz feldspathic rocks, and the difficulty of collecting them. It was also observed that, the lower the soil weathering degree, the greater the resistivity of the soil. In general, the studied soils presented a unique resistance envelope. It was also observed that, the lower the soil weathering degree, the greater the soil yield curve. Through the obtained results, it was verified that the Critical States Theory can be applied in the residual soil studied.

[pt] O objetivo desta dissertação foi avaliar os mecanismos de ruptura em solo residual não saturado, nos locais da Comunidade da Prainha e Condomínio do Lago, em Nova Friburgo, após os deslizamentos ocorridos do dia 11 para 12 de janeiro de 2011, evento conhecido como Megadesastre 11 da Serra Fluminense. Para isso foram realizados ensaios de caracterização física, química e mineralógica, ensaios de permeabilidade in situ e no laboratório, ensaios para a determinação da curva característica e porosimetria de mercúrio. Para a determinação dos parâmetros de resistência foram realizado ensaios de cisalhamento convencional em amostras indeformadas submersas. A partir destes resultados foram realizadas análises numéricas de infiltração e estabilidade com a utilização dos programas Vadose/W e Slope/W ambos do pacote GeoStudio 2007. Os resultados das análises mostraram que as rupturas foram do tipo planar, ocorrendo na transição do solo maduro para o solo jovem para ambos locais. No caso do Condomínio do Lago verificou-se que a ruptura foi iniciada na base do talude, indicando um movimento de baixo para cima. Na Comunidade da Prainha a ruptura foi iniciada no topo da encosta. Em ambos os casos, ruptura ocorreu em decorrência da infiltração das águas de chuva. / [en] The objective of this dissertation was to assess the failure mechanisms in unsaturated residual soil, in places of Comunidade da Prainha Prainha (Comunity of Prainha) and Condomínio do Lago (Lago Condominium), in Nova Friburgo, after the landslides that occurred from the 11th to 12th of January of 2011. The event is known as Megadesastre 11 da Serra Fluminense. For this, tests of physical, chemical and mineralogical characterization, in situ permeability tests and the in laboratory, tests to determine the characteristic curve and mercury porosimetry were performed. To determine the strength parameters, were conducted conventional shear tests on submerged soil samples. From these results, numerical analyzes of infiltration and stability were performed with the use of Vadose/W and Slope/W, both programs of GeoStudio 2007. The analysis results showed that the ruptures were planar, occurring in the transition from the mature soil to the young soil for both locations. In the case of Condomínio do Lago, the failure surface was located at the base of the slope, indicating a movement from bottom to top. In the Comunidade da Prainha the failure surface was located at the top of the slope. In both cases rupture occurred due to infiltration of the rainwater.