Orientador: Renata Garcia Fonseca / Banca: Carlos Alberto dos Santos Cruz / Banca: Mauro Antonio de Arruda Nobilo / Resumo: O reparo de restaurações metalocerâmicas fraturadas pode ser considerado um desafio, principalmente quando grande quantidade de metal é exposta. O estabelecimento de uma união forte e durável entre material reparador e substrato da restauração fraturada é essencial para o sucesso do reparo. Este estudo avaliou a resistência ao cisalhamento entre diferentes sistemas de reparo e liga de NiCr e a durabilidade desta união após armazenamento em água por um longo período. Foram confeccionados 100 discos (9 OE 3 mm) em liga de NiCr. Esses foram incluídos em anel de PVC com resina acrílica e tiveram suas superfícies regularizadas com lixas (120, 220 e 320) em politriz. Cada espécime recebeu um dos seguintes tratamentos: 1) Clearfil SE Bond, 2)Bistite II DC, 3)Cojet, 4) Scotchbond Multi Uso Plus (Grupo controle), e 5) uma variação do Grupo controle, na qual foram empregadas partículas de sílica do sistema Cojet Sand em substituição às de óxido de alumínio. Os espécimes foram armazenados água destilada a 37ºC por 24 horas, termociclados (1.000 ciclos - 5º e 55ºC) e, então, armazenados nas mesmas condições descritas anteriormente, por um período adicional de 24 horas ou 6 meses. O ensaio de cisalhamento foi realizado em máquina de ensaios Material Test System 810 com velocidade de 0,5 mm/minuto. Para cada período de armazenamento, os resultados foram analisados por meio de análise de variância (ANOVA) e teste de Tukey. Para cada sistema, os valores obtidos às 24 horas foram comparados aos encontrados após 6 meses empregando-se teste t de Student não pareado. (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: When clinical fractures of metal-ceramic prostheses occur, exposing the metal substructure, repair may be considered a challenge. The clinical success of repair depends on establishing a strong and long-term durable bond between the repair material and the metal surface of the failed restoration. This study evaluated shear bond strength of different repair systems to NiCr alloy and bond durability after long-term water storage. One hundred cylindrical specimens (9 OE 3 mm) were fabricated in a nickel-chromium alloy. The NiCr cylinders were embedded in a PVC ring and all specimen bonding surfaces were smoothed with silicon carbide papers (120, 220, and 320 grit) using a polisher. Specimens were divided into 5 groups of 20, which received one of the following bonding and resin composite repair systems (n=10): 1) Clearfil SE Bond/Clearfil AP-X, 2) Bistite II DC/Palfique, 3) Cojet /Z100, 4) Scotchbond Multipurpose Plus /Z100 (control group), and 5) Cojet Sand plus Scotchbond Multipurpose Plus /Z100. The specimens were stored in distilled water for 24 hours at 37ºC, thermal cycled (1,000 cycles - 5º to 55ºC) and stored in distilled water at 37ºC for either 24 hours or 6 months. Shear bond tests were performed in a mechanical testing machine with a crosshead speed of 0.5 mm/minute. Data (MPa) were analyzed using 1-way ANOVA and Tukey HSD test (a=.05) for each storage time. The results obtained at 24 hours for each repair system were compared with those found at 6 months using Student's t-test. Each specimen was examined under a stereoscopic lens with OE30 magnification, and mode of failure was classified as adhesive, cohesive or combination. (Complete abstract, click electronic access below) / Mestre

Orientador: Renata Garcia Fonseca / Banca: Gelson Luis Adabo / Banca: Paulo Francisco Cesar / Resumo: O titânio, em virtude de suas atrativas propriedades, foi introduzido na área de reabilitação oral podendo ser indicado para a confecção de restaurações metalocerâmicas dento- ou implanto-suportadas. No entanto, apresenta dificuldade de união com materiais resinosos, o que poderia comprometer a longevidade dessas restaurações, considerando a importância da qualidade de união na interface metal/cimento. Para contornar este problema, pode-se lançar mão de tratamentos de superfície do titânio, empregados isoladamente ou em associação. Este estudo avaliou a eficácia de diferentes tratamentos de superfície na resistência ao cisalhamento (RC) da união do cimento ionomérico modificado por resina RelyX Luting 2 e dos cimentos resinosos RelyX ARC e RelyX U100 ao titânio comercialmente puro (Ti cp). Duzentos e quarenta discos (9 x 3 mm) foram fundidos em Ti cp, incluídos em tubos de PVC e regularizados com lixas de carbeto de silício (150, 400 e 600) em politriz. Os espécimes foram divididos aleatoriamente em oito grupos (n=30), os quais receberam um dos seguintes tratamentos de superfície: (1) Al2O3 50 μm; (2) Al2O3 120 μm; (3) Al2O3 250 μm; (4) Al2O3 50 μm + silano; (5) Al2O3 120 μm + silano; (6) Al2O3 250 μm + silano; (7) Cojet Sand (30 μm) + silano; (8) Al2O3 120 μm + Rocatec (110 μm) + silano. Os cimentos (1) RelyX Luting 2; (2) RelyX ARC; (3) RelyX U100 foram aplicados às superfícies tratadas do Ti cp (n=10). Os espécimes foram termociclados (5.000 ciclos, 5 e 55 °C, 30 segundos de imersão) e, então, submetidos ao ensaio de cisalhamento (0,5 mm/min). O modo de fratura foi avaliado em estereomicroscópio (x20). Os dados foram analisados por ANOVA 2 fatores e teste de Tukey (α=0,05). Os cimentos RelyX Luting 2 e RelyX U100 apresentaram comportamento semelhante com relação ao tratamento de superfície... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Titanium was introduced in the field of oral rehabilitation because of its attractive properties, as it can be indicated for fabricating tooth- or implant-supported metal ceramic restorations. However, difficulties have been shown to exist as regards the bond between resin-based materials and titanium, which could compromise the longevity of these restorations, considering the importance of the bond quality at the metal/cement interface. To overcome this problem, titanium surface treatments can be applied alone or they can be combined with each other. This study evaluated the efficacy of different surface treatments on the shear bond strength (SBS) of RelyX Luting 2 resin-modified glass ionomer cement, RelyX ARC and RelyX U100 resin cements to commercially pure titanium (CP Ti). Two hundred and forty discs (9 x 3 mm) were cast from CP Ti, embedded in PVC tubes and smoothed with silicon carbide papers (150, 400 and 600) using a polisher. Specimens were randomly divided into 8 groups (n=30), which received one of the following surface treatments: (1) 50 μm Al2O3; (2) 120 μm Al2O3; (3) 250 μm Al2O3; (4) 50 μm Al2O3 + silane; (5) 120 μm Al2O3 + silane; (6) 250 μm Al2O3 + silane; (7) Cojet Sand (30 μm) + silane; (8) 120 μm Al2O3 + Rocatec (110 μm) + silane. The luting cements (1) RelyX Luting 2; (2) RelyX ARC; (3) RelyX U100 were applied to the treated CP Ti surfaces (n=10). Specimens were thermal cycled (5,000 cycles, 5 and 55 °C, 30-second dwell time), and afterwards submitted to SBS testing (0.5 mm/min). Failure mode was evaluated under a stereomicroscope (x20). Data were analyzed using 2-way ANOVA and Tukey's test (α=0.05). The RelyX Luting 2 and RelyX U100 luting cements exhibited similar behavior regards to the surface treatment. For both, only the group abraded with 50 μm Al2O3 particles promoted lower SBS than the other groups (P>.05)... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

To acquire deeper understanding and insights into the mechanical behaviour of fibre reinforced saturated/unsaturated cohesive soils, a programme of work was designed and included. 1) Conducting standard Consolidation Undrained (CU) tests to investigate mechanical behaviour of non-reinforced fully saturated soil. 2) Studying the strength of fibre reinforced clay though unconfined compression tests. 3) Testing the behaviour of unsaturated reinforced soil in unsaturated triaxial tests. 4) Determining the soil-water characteristic curves (SWCC) on soil sample with different fibre content. The investigation was undertaken on a clay of low plasticity index. Samples tested with addition of 1, 3 and 5 % fibre content and different values of matric suction of 50, 100 and 200 kPa, one of the challenges that were encountered in this research are how to prepare homogenous samples. A method for prepared compacted fibre reinforced soils with improved fibre distribution and density profile has been proposed and examined. The test results indicated that waste carpet fibres increase the shear strength of unsaturated clay soils. It was also found that relative increase in strength is also a function of applied suction. An increase in waste carpet fibres was found to reduce the hysteresis of soil. A data analysis conducted on the results of unsaturated tests as a function of fibre content and matric suction. The behaviour modelled was shown to be a perfect fit with the experimental data.

Ensaios de penetração dinâmica são ferramentas de investigação geotécnica de fácil execução e baixo custo. Estas características tornaram o ensaio SPT na técnica de investigação mais utilizada em diversos países como Canadá, Estados Unidos, Japão e principalmente, no Brasil. Em contrapartida, a penetração dinâmica de amostradores produz um complexo mecanismo de reação do solo, função da energia entregue ao sistema e da capacidade de absorção desta energia pelo próprio solo. Na prática de engenharia, este mecanismo é simplificado através do uso de abordagens empíricas. Pesquisas na década de 1970, realizadas por Schmeertmmann & Palacius (1979) e Schmertmmann (1979), avaliaram a energia inserida no sistema haste-amostrador objetivando a padronização do ensaio SPT para diferentes equipamentos e procedimentos. Pesquisas recentes de interpretação do ensaio utilizam conceitos de conservação de energia e trabalho realizado pelo amostrador ao penetrar no solo, visando equacionar a resistência mobilizada (eg. Oderebrecht, 2003; Odebrecht et al, 2005; Schnaid, 2005). Na presente pesquisa, são utilizados os conceitos de conservação de energia, associados com equações de equilíbrio dinâmico e com a teoria de expansão de cavidades (Vésic, 1972) para desenvolver uma rotina de simulação numérica capaz de modelar os principais mecanismos de reação do solo devido cravação de um amostrador. A partir da validação da rotina de simulação numérica para ensaios dinâmicos de distintas geometrias (ensaios SPT, ILPT, NALPT e RLPT), avalia-se a variabilidade da energia entregue ao solo devido às diferenças de compacidade do solo, eficiência do golpe, geometria do martelo, tipo e comprimento da composição de hastes. Destas simulações, é possível observar as diferenças de resultados entre ensaios de distintas geometrias de martelo e composição de hastes, concluindo-se que pequenas variações geométricas produzem diferenças no índice de resistência à penetração. Como conseqüência, sugere-se que a interpretação dos resultados depende de um método racional de análise capaz de incorporar estes efeitos à estimativa de propriedades de comportamento de solos. Na identificação dos mecanismos de ruptura para solos de diferentes compacidades foram desenvolvidas duas metodologias que permitem estimar a resistência ao cisalhamento de solos granulares a partir do índice de resistência à penetração medida em ensaios de penetração dinâmica. A primeira metodologia utiliza a rotina de simulação numérica desenvolvida através de uma análise do Problema do valor inverso, enquanto a segunda proposta utiliza os pressupostos do Teorema de Buckingham no estabelecimento de uma solução analítica que permita estimar o ângulo de atrito de pico de materiais granulares. As duas alternativas foram validadas através de estudo de casos, permitindo concluir que as soluções produzem estimativas de ângulo de atrito realistas, de mesma ordem de magnitude que outras abordagens difundidas no meio técnico e compatíveis com resultados de ensaios de campo e laboratório. / Dynamic penetration tests are simple, economic and easily performed geotechnical investigation tools. Due to these general characteristics, the test has been used systematically in many countries such as Canada, United States, Japan and Brazil. Despite the attractive conditions of performing a simple test, dynamic penetration of a any tool into a soil mass produces a complex soil reaction mechanism that depends on the energy delivered to the soil, as well as the capability of the soil to absorb this energy. Given this complexity a simple approach of interpreting the test by using empirical correlations has prevailed. In 1970, Schmeertmmann & Palacius (1979) and Schmertmmann (1979) develop the first rational methodology to compute the energy delivered to the rod-sampler system that has been incorporated to engineering practice by normalizing different practices in terms of a reference energy. Most recent researches of SPT test interpretation make uses of energy concepts and work to compute the mobilized soil-resistance due to the sampler penetration (e.g. Oderebrecht, 2003; Odebrecht et al, 2005; Schnaid, 2005). In present research these recent approaches are extended through the use of energy concepts associated with dynamic equilibrium equations and cavity expansion theory (Vésic, 1972). Constitutive equations have been incorporated to a numerical simulation routine able to reproduce the some of the most important processes of soil reaction during dynamic in cohesionless soil. The model validation for different dynamic penetration test geometries (SPT, ILPT, NALPT and RLPT) enabled the energy delivered to soil to be evaluated and the effects of soil density, blow efficiency, hammer geometry, rod type and length to be assessed. From a number of simulations, it was possible to describe the differences related typical geometrical changes (i.e. hammer length, rod cross section and length). Conclusions from the analysis are that small geometrical changes in hammer and rod characteristics - typically observed in different SPT practices - produce differences into the measured blow count. As consequence, it is suggested that interpretation of dynamic penetration test results will depend on a model capable of incorporating all these effects when attempting to derive soil constitutive parameters. This is one of the outputs of the present study that lead to the development of two rational methodologies to assess the internal friction angle of cohesionless soils from dynamic penetration blow count. The first one uses the numerical simulation routine as a Inverse Boundary Value problem while the second one uses the Buckingham’s Theorem to develop an analytical equations that correlates the N-SPT with the soil shear strength. Both methodologies have been validated by a series of case studies designed to demonstrate that the proposed solution produces friction angle values of the same order of magnitude of other approaches and compatible to measurements produced by laboratory and in situ tests.

Orientador: Marcelo Fava de Moraes / Banca: Victor Elias Arana Chavez / Banca: Matsuyoshi Mori / Banca: Silvio Issáo Myaki / Banca: Lafayette Nogueira Junior / Resumo: O objetivo deste estudo foi avaliar in vitro a resistência ao microcisalhamento de 5 sistemas adesivos ao esmalte, sendo 1 adesivo monocomponente (M), 2 primers autocondicionantes (P) e 2 adesivos autocondicionantes (A). Foram utilizadas 60 faces (vestibular ou lingual) de pré-molares, aplainadas com lixas d'água (400 e 600) e divididas aleatoriamente em 5 grupos (n=12), de acordo com o adesivo utilizado: SB2- Single Bond2 (M); CSE- Clearfil SE Bond (P); ADS- AdheSE (P); PLP- Adper Prompt L-Pop (A); XE3- Xeno III (A). Tubos de Tygon delimitaram a área de adesão em 0,8mm de diâmetro, para se obter os cilindros de resina composta (Z250). Após armazenamento em água destilada a 37ºC por 24h e termociclagem, foi realizado o teste de microcisalhamento (velocidade de 0,5mm/min).). Os dados foram submetidos aos testes de ANOVA e Tukey ('alfa'=5%). Os valores de média (MPa'mais ou menos'DP) e os resultados do teste de Tukey foram: SB2: 36,36('mais ou menos'3,34)a; ADS: 33,03('mais ou menos'7,83)a; XE3: 32,76('mais ou menos'5,61)a; CSE: 30,61('mais ou menos'6,68)a; PLP: 22,17('mais ou menos'6,05)b. Grupos com a mesma letra não apresentaram diferenças significantes. Pode-se concluir que não houve diferença estatística entre SB2, ADS, XE3 e CSE, apesar dos diferentes padrões de condicionamento destes adesivos. Apenas o PLP apresentou valores médios de adesão inferiores aos demais. / Abstract:The aim of this in vitro study was to evaluate the micro-shear bond strength of 5 adhesive systems to enamel, one single-bottle acid-etch adhesive (O), two selfetching primers (P) and two all-in-one self-etching adhesives (S). Sixty premolar enamel surfaces (buccal or lingual) were ground flat with 400- and 600-grit SiC papers and randomly divided into 5 groups (n=12), according to adhesive system: SB2 - Single Bond 2 (O); CSE - Clearfil SE Bond (P); ADS - AdheSE (P); PLP - Adper Prompt L-Pop (S); XE3 - Xeno III (S). Tygon tubing (internal diameter of 0,8mm) restricted the bonding area to obtain the resin composite (Z250) cylinders. After storage in distilled water at 37oC for 24h and thermocycling, micro-shear testing was performed (crosshead speed of 0.5mm/min). Data were submitted to one-way ANOVA and Tukey test ('alfa'=5%). Mean bond strength values (MPa'mais ou menos'SD) and the results of Tukey test were: SB2: 36.36('mais ou menos'3.34)a; ADS: 33.03('mais ou menos'7.83)a; XE3: 32.76('mais ou menos'5.61)a; CSE: 30.61('mais ou menos'6.68)a; PLP: 22.17('mais ou menos'6.05)b. Groups with the same letter were not statistically different. It can be concluded that no significant difference was there between SB2, ADS, XE3 and CSE, in spite of different etching patterns of these adhesives. Only PLP presented statistically lower bond strengths compared with others. / Doutor

Camadas granulares desempenham um importante papel no comportamento global de pavimentos, especialmente daqueles com revestimentos delgados ou sem revestimento. Para conhecer as características de resistência e deformabilidade de materiais componentes dessas camadas são realizados ensaios triaxiais. No caso de ensaios em materiais granulares, o corpo de prova deve ter diâmetro de pelo menos cinco vezes o tamanho máximo de partícula e altura igual a duas vezes o seu diâmetro. Como as especificações do DNIT permitem o emprego de agregados de até 5 cm em camadas de brita graduada ou solo-agregado, os corpos-de-prova devem ter diâmetro de 25 cm e altura de 50 cm. Equipamentos capazes de ensaiar corpos-deprova com estas dimensões são raros no mundo e inexistiam no Brasil até 2008. Com o intuito de superar esta carência e avançar no conhecimento do comportamento mecânico de agregados graúdos, a pesquisa relatada nesta tese teve como objetivos desenvolver um equipamento triaxial de grande porte capaz de aplicar carregamentos estáticos, monotônicos e cíclicos em corpos-de-prova de grandes dimensões (25 cm x 50 cm); bem como realizar e interpretar os primeiros ensaios. A concepção e a montagem do equipamento são descritas considerando as partes principais. Também é detalhada a instrumentação utilizada composta por: duas células de carga, três transdutores de deslocamento e dois transmissores de pressão. Para os primeiros ensaios foi escolhida uma brita graduada de basalto, anteriormente utilizada em pistas experimentais solicitadas por simulador de tráfego. Ensaios em corpos-de-prova de 10 cm de diâmetro e 20 cm de altura foram realizados para comparação com resultados de ensaios em corpos-de-prova maiores, realizados no novo equipamento. Os ensaios de módulo de resiliência foram conduzidos segundo o método de ensaio do DNIT, com algumas modificações para adequá-lo ao padrão internacional. Os ensaios triaxiais monotônicos e os cíclicos de deformações permanentes foram conduzidos tanto em multiestágios, quanto em estágio único de tensões. Os resultados obtidos foram interpretados segundo diversas teorias e modelos, obtendo-se parâmetros de resistência e de deformabilidade. Uma análise mecanística utilizando os parâmetros obtidos nos ensaios permitiu analisar o comportamento do material estudado como camada de pavimento. Conclui-se que o equipamento triaxial de grande porte atende as necessidades para as quais foi projetado, permitindo obter parâmetros para caracterização do comportamento de agregados graúdos e prever desempenho de pavimentos, quanto a deformações permanentes e ruptura por cisalhamento de camadas granulares. / Unbound aggregates layers play an important role in the performance of thinly surfaced or unsurfaced pavements. In order to assess the strength-strain characteristics of soils and aggregates used in those layers, triaxial tests must be carried out on cylindrical specimens with diameter not smaller than 5 times the particle maximum size and height twice the diameter. Since Brazil National Roads Department allows using 2” aggregates in granular bases, specimens for triaxial tests should be at least 25 cm in diameter and 50 cm in height. All over the world there are only a few equipments for testing such specimens; and up to 2008 none of them in Brazil. Aiming at overcoming this deficiency and enhance the knowledge on the mechanical behavior of coarse aggregates, the objectives of research reported in this thesis were to develop a triaxial equipment capable of applying static, monotonic and repeated loadings on large specimens (25 cm x 50 cm) and perform and analyze the first tests. The design and assemblage of the equipment are describe, detailing its main components and the instrumentation, that included two load cells, three displacement transducers and two pressure transmitters. The first tests were carried out on specimens made of dense crushed aggregates, formerly used in APT test sections. Tests were also carried out on specimens with 10.0 cm diameter and 20.0 cm height, in order to compare their results to those of tests carried out in larger specimens tested in the new triaxial equipment. Resilient modulus tests were carried out according to the Brazilian standard, but some modifications were introduced to follow international patterns. Triaxial monotonic and repeated loading permanent deformation tests were carried out both in multiple stages and unique stage of stresses. The results were interpreted were calculated taking into account several theories and models, strength and strain parameters being obtained. A mechanistic analysis using parameters obtained in tests allowed analyzing the behavior of the studied aggregates making part of pavement layers. It is concluded the new triaxial equipment for large specimens fulfills the requirements that motivated its design and construction, making possible to obtain parameters for characterizing the behavior of coarse aggregates and estimating pavements performance regarding permanent deformation and shear failure of granular layers.

É extremamente comum que o solo de uma determinada região não tenha os parâmetros geotécnicos favoráveis a implementação de projetos de pavimentação e fundações. Com o passar do tempo, o homem ocupou praticamente todos os locais onde as características do solo são favoráveis à construção civil, principalmente nos grandes centros urbanos, restando os locais que desafiam os projetistas a fazerem obras de baixo custo e qualidade técnica. Com intuito de solucionar este problema, vários trabalhos estão sendo desenvolvidos através da técnica de melhoramento ou estabilização de solos com agentes cimentantes. Deste modo, o presente trabalho teve como objetivo validar uma nova abordagem para a obtenção de parâmetros de resistência ao cisalhamento de uma areia artificialmente cimentada. Para aplicação desta abordagem, utilizou-se resultados de compressão simples e diametral, sendo estes comparados com os resultados obtidos a partir de ensaios de compressão triaxial consolidados e drenados com as mesmas características dos ensaios de compressão não confinada. Com o intuito de enriquecer o conhecimento sobre o assunto, também foram aplicados outros modelos de previsão de resistência ao cisalhamento, tais como, o critério de ruptura de Griffith (1921) e o modelo experimental de Mitchell (1981). Para isto, o solo utilizado foi uma areia de granulometria fina com adição de Cimento Portland CPV-ARI, com três diferentes porcentagens de cimento em relação a massa de solo seco (3, 5,1 e 8,6) e, para tempos de cura de 03, 07, 28 e 90 dias. Baseados nos resultados obtidos através deste trabalho, concluiu-se que: quanto ao comportamento tensão-deformação, os ensaios apresentaram pico de resistência bem definido com comportamento de material rígido e queda acentuada da resistência após a ruptura; quanto a utilização da nova abordagem proposta, os parâmetros de resistência do modelo quando comparados com os resultados obtidos pelos ensaios triaxiais foram satisfatórios, deste modo validando esta metodologia. O emprego da teoria de Griffith e do modelo de Mitchell, não apresentaram resultados com a mesma qualidade obtida pela nova abordagem proposta. / It is extremely common that the soil of a particular region does not have the favorable geotechnical parameters for implementing paving and foundations projects. With the passage of time men has occupied virtually all locations where soil characteristics are favorable for constructions, especially in large urban centers, leaving the places that challenge engineers to design works of low cost and technical quality. In order to solve this problem, several studies are being developed through soil improvement and stabilization technique with cementing agents. Thus, the present study aimed to validate a new approach to obtain shear strength parameters of an artificially cemented sand. To apply this approach, results of unconfined compression tests were used, which were compared to the results obtained from consolidated and drained triaxial compression tests, with the same characteristics of the unconfined compressive tests. In order to enrich the knowledge on this subject, other models were applied to predict parameters of resistance, such as the Griffith (1921) failure criterion and the experimental model of Mitchell (1981). The soil used was a fine grained sand with addition of Portland cement CPV-ARI, with 3.00, 5.06 and 8.60 percentage of cement in relation to the mass of dry soil at curing times of 03, 07, 28 and 90 days. Based on the results obtained through this work, it was concluded that the use of the new approach proposed is valid because the strength parameters of the model when compared with the results obtained by the triaxial tests were satisfactory. The use of the Griffith theory and Mitchell model did not obtain results with the same quality obtained by the new approach proposed. Regarding the stress-strain behavior, the triaxial tests showed peak strength with well-defined behavior of rigid material and sharp drop in resistance after the rupture.

This thesis has experimentally studied the strength and stiffness properties of bedding planes and discontinuities in the immediate roof layers overlying Herrin No. 6 coal seam in Illinois. Rock joints and bedding planes are typical discontinuities in bedded rock mass and they control failure initiation and propagation of failure through the rock mass. Strength as well as deformation properties of bedding planes, joints and discontinuities are influenced by their surface roughness, inclination, intact rock properties, and pre-mining stress values and their orientation. The strength and deformation properties (stiffness values) are characterized by peak and residual strength values. Since support loads in excavations are due to deformations of the rock mass, their analysis should consider their strength and stiffness values. The overall goal of this research is to determine the shear strength and associated stiffness properties of bedding planes and joints of the immediate roof strata rocks within 25-30 ft. (7.5-9 m) overlying Herrin no. 6 coal seam (within the pressure arch zone) using direct shear tests. A shear test loading device was designed and integrated into the 150 t (1,334 kN) [*]Forney compression loading machine in the department. It was used to perform direct shear tests in accordance with ASTM D5607-08 " Standard test method for performing laboratory direct shear strength tests of rock specimens under constant normal force". The equipment also allows for determination of peak and residual friction angles along with the dilation angle. A total of 49 bedding plane samples were tested, out of which 46 (36 intact and 10 relatively weak and loose) samples passed QA/QC procedures in accordance to ASTM D5607. Samples from eight (8) different bedding planes- shale/limestone (SL), shale/sandstone (SSs), shale/bone (SB), laminated sandstone (LS), shale/shale (SS), bone/bone (BB), bone/limestone (BL), and limestone/limestone (LL) were tested. The number of samples tested for each bedding plane were: SL- 11, SSs- 8, SB- 5, BB- 4, LS- 6, SS- 9, BL- 1, and LL- 2. Moisture content and as-received unit weight values of samples range 0.9% to 5% and 111 pcf (17.5 kN/m3) to 165 pcf (25 kN/m3), respectively. Shear strength values were developed at 400 psi (2.75 MPa) normal stress. Upon failure, residual shear strengths were determined at 600 psi (4.13 MPa) and 800 psi (5.5 MPa) normal stresses to calculate the angle of sliding friction and to develop the failure criterion for each rock type. Peak and residual shear strength values at 400 psi (2.75 MPa) normal stress range 153 - 907 psi (1.06 - 6.26 MPa) and 119 - 600 psi (0.82 -4.14 MPa), respectively. The average normal and shear stiffness values are 44,000 psi/in (11.98 GPa/m) and 11450 psi/in (3.11 GPa/m). Dilation angles are typically very low (<10◦) and negative in some cases. Joint roughness values with JRC index were typically below 10. Angle of sliding friction values range from 9◦ to 42◦. Failure criterion for different bedding planes and a composite failure criterion representing the behavior of all bedding planes were developed using linear regression. A numerical modeling case study of remnant pillar stability in a southern Illinois mine was performed that used the shear strength and stiffness parameters developed above. FLAC3D, Phase2D, and LaModel were also used to assess the stability of remnant pillars. This study would significantly aid in the design and stability analysis of both surface and underground mines. Data developed can be successfully implemented in safe geotechnical design of any surface and underground structure (both civil and mining) viz. slope stability of open pit mining, subsidence prediction during longwall and room and pillar mining. Results from this thesis would significantly improve in the safe and accurate design of mine excavations. * Equipment mentioned is not for endorsement

[pt] O fenômeno de liquefação está diretamente relacionado a uma diminuição acentuada da resistência não drenada em materiais saturados, induzida por uma redução significativa das tensões efetivas, em decorrência do desenvolvimento de elevadas poropressões. O mecanismo, em muitos casos, é associado a eventos sísmicos. Em regiões assísmicas, como no Rio de Janeiro, corridas de detritos deflagradas por chuvas intensas podem envolver este fenômeno, agora associado a carregamentos estáticos. Para a investigação da susceptibilidade à liquefação de solos coluvionares do Rio de Janeiro, foram coletadas amostras indeformadas de dois locais: Campo Experimental da PUC-Rio e bacia do rio Quitite. Na primeira fase do programa experimental desenvolvido foram realizados ensaios de caracterização física, química e mineralógica dos dois materiais. Após a caracterização, passou-se ao estudo da compressibilidade dos solos, através da realização de ensaios de velocidade de deslocamento constante (CRD) em corpos de prova indeformados, obtendo-se a tendência da linha virgem. Em seguida estudou-se o comportamento tensão-deformação e a resistência dos materiais com a execução de ensaios triaxiais de compressão, adensados isotropicamente e cisalhados na condição não drenada, com medida de poro-pressões à meia altura e na base dos corpos de prova. A influência da velocidade de cisalhamento foi analisada nesta fase das investigações. Com as análises dos resultados e entendimento do comportamento tensão-deformação destes materiais em condições de laboratório, concluiu-se que os mesmos não são susceptíveis à liquefação. / [en] The liquefaction phenomenon is directly related to a remarkable decrease of undrained strength of saturated materials, induced by significant reduction of effective stress due to high pore-pressures development. In most of the cases, the mechanism is associated to seismic events. In non seismic areas, like Rio de Janeiro, debris flow triggered by heavy rainfalls may involve this phenomenon, now associated to static loading. For an investigation of liquefaction susceptibility of colluvium soils from Rio de Janeiro, undisturbed samples were collected from two sites: Campo Experimental of PUC-Rio and the basin of the Quitite river. In the first phase of this developed experimental program, physical characterization, chemical and mineralogical tests were performed. After characterization, soil compressibility was evaluated through constant rate of deformation tests (CRD) performed in undisturbed samples, resulting in definition of virgin line tendencies. Following that, the stress-strain behavior and strength were studied using triaxial compression tests, isotropically consolidated and sheared in undrained condition, with pore-pressure measured both at the middle and at the base of the samples. The shear rate influence was analyzed in this investigation phase. Based on the analysis of the obtained results and the understanding of the stress-strain behavior of the studied materials under laboratory.

Esta tese tem por objetivo analisar o comportamento mecânico de um solo coluvionar de arenito não saturado (Solo AV) em condições indeformadas e remoldados. Sua localização é na divisa dos estados de Santa Catarina e Rio Grande do Sul. Os corpos de prova foram moldados com o mesmo índice de vazios na condição indeformada e na condição remoldada com o intuito de se avaliar o papel da estrutura deste solo. Para este estudo foi modificado o equipamento triaxial com sucção controlada, apresentado por Pereira (2006), inserindo os medidores de deslocamentos locais nos corpos de prova (sensores de efeito Hall). A partir dos medidores de deformação locais foi possível observar a influência da sucção nos módulos de deformabilidade do solo AV para a condição remoldada. Foram determinadas as envoltórias de resistência ao cisalhamento para os ensaios na condição não saturada para corpos de prova indeformados e remoldados. Na condição não saturada observou-se que o ângulo de atrito interno (’) é influenciado pelo nível de sucção e tensão normal líquida aplicada. As envoltórias no plano tensão cisalhante versus sucção são não lineares e resultam, para baixos valores de sucção, em valores de b sempre superiores a ’. Os resultados indicaram que os corpos de prova indeformados, na condição saturada, apresentaram parâmetros e resistência ao cisalhamento superiores aos corpos de prova remoldados. Entretanto, para a condição não saturada, os corpos de prova remoldados apresentaram resistência ao cisalhamento superiores a dos corpos de prova indeformados. Os resultados dos ensaios do hollow cylinder indicaram que a magnitude da tensão principal intermediária influencia na resistência ao cisalhamento obtida. Pela variação da direção da tensão principal maior observou-se um comportamento anisotrópico nos corpos de prova remoldados. Em termos de parâmetros de resistência ao cisalhamento os ensaios triaxiais e hollow cylinder apresentaram resultados consistentes, de acordo com a literatura. Os principais modelos de previsão de resistência ao cisalhamento existentes, baseados em dados básicos do Solo AV, não apresentaram um bom ajustes para as condições de moldagem. Baseado em análises estatísticas, foi possível obter duas equações de ajuste, sendo uma linear exponencial para a condição indeformada e uma parabólica para a condição remoldada. / This thesis aims to analyze the mechanical behavior of an unsaturated sandstone colluvium soil (Soil AV) in undisturbed and remolded conditions. The colluvium is located on the border of the states of Santa Catarina and Rio Grande do Sul. The specimens were prepared with the same void ratio for undisturbed and remolded conditions in order to evaluate the soil structure. For this study the triaxial apparatus with suction-controll, presented by Pereira (2006), was improved by inserting local displacement traducers (Hall effect sensors). These tranducers allowed the evaluation of the influence of the suction on the Young’s modulus for the soil AV in the remolded condition. Shear strength envelopes were determined based on tests on unsaturated condition on undisturbed and remolded specimens. For the unsaturated condition, it was noted that the internal friction angle ('’) is influenced by the level of suction and net normal stress applied. The shear envelopes on the shear stress versus suction plane are nonlinear and showed b higher than ’, for low suction values. The results showed that undisturbed specimens in saturated conditions presented shear strength parameters and shear strength higher than the remolded specimens. However, in the unsaturated condition the remolded specimens showed higher shear strength than undisturbed specimens. The Hollow Cylinder test results indicated that the intermediate principal stress has influence on shear strength of the soil. By varying the direction of major principal stress it was noticed an anisotropic behavior in the remolded specimens. In terms of shear strength parameters triaxial and hollow cylinder tests presented consistent results as it was observed in the literature. Some of the models used to predict the shear strength, based on basic parameters of the soil AV, have not shown good matches for both, undisturbed and remolded conditions. Based on statistical analysis, it was possible to obtain two adjustment equations being a linear exponential to the undisturbed conditions and a parabolic for the remolded condition.