[pt] Trata o presente trabalho da utilização do piezocone sísmico para a obtenção de parâmetros do solo no campo. O equipamento, ainda inédito no Brasil, é composto do piezocone acrescido de geofone que permite efetuar a medida da velocidade da onda sísmica de cisalhamento no solo. Além dos parâmetros usuais fornecidos pelo piezocone, possibilita a obtenção do módulo cisalhante máximo, Gmax , através da teoria da elasticidade. São apresentados detalhes do equipamento e da instrumentação, assim como os procedimentos de calibração e de ensaios. O programa experimental constou de ensaios em solo arenoso, na cidade de Maceió e em solo argiloso mole no Rio de Janeiro. Os resultados são apresentados e discutidos com ênfase na obtenção dos valores do módulo cisalhante ao longo do perfil do solo. São também apresentadas comparações com valores de módulo obtidos a partir de outros ensaios de laboratório e campo.

[pt] A presente dissertação contemplou o estudo de propriedades mecânicas de um solo Residual Biotita Gnaisse do Alto Leblon (Município do Rio de Janeiro) e o desenvolvimento de um equipamento triaxial para ensaios não saturados. Para o estudo do comportamento mecânico foi desenvolvido um programa experimental que envolveu: (a) ensaios de caracterização física; (b) caracterização mineralógica através da difratometria de Raio-X, microscopia óptica e Microscopia Digital; (c) determinação de propriedades não saturadas através da curva característica determinada utilizando o método do papel filtro, porosimetria de mercúrio e análise digital de imagem; (d) parâmetro de resistência ao cisalhamento através de ensaios triaxiais convencionais e não convencionais com controle de trajetória de tensões na condição saturada; (e) análise dos Módulos Iniciais com a utilização de sensores para a medição de deformação externa e interna (Eletronível tipo Imperial College) e os efeitos das trajetórias de tensões sobre os Módulos Iniciais. O equipamento Triaxial desenvolvido para ensaios na condição parcialmente saturada está equipado com um sistema de medição de variação de volume total do corpo de prova o qual está baseado no princípio de vasos comunicantes aliado a uma balança de precisão. Visando eliminar o efeito de dilatação, a câmara triaxial foi desenvolvida utilizando o artifício da câmara dupla. O equipamento encontra-se montado, porém não houve a possibilidade de sua validação devido a atrasos no processo de importação de componentes referentes ao controle, aplicação de pressões e aquisição de dados. / [en] This dissertation presents a study of the mechanical properties of biotite gneiss residual soil found at Alto Leblon, Rio de Janeiro, and the development of a triaxial equipment for unsaturated soil testing. An experimental program has been created to study the mechanical behaviour of soil. The methodology proposed by this campaign is: (a) physical characterization tests; (b) mineralogical characterization by X-Ray difratometry tests, optical microscopy and digital microscopy analysis; (c) study of unsaturated properties based on its moisture retention curve – which has been determined by using the filter paper method, the mercury intrusion porosimetry test and digital image analysis; (d) by obtaining shear strength parameter through conventional and unconventional triaxial tests using stress paths controlled at a saturated condition and; (e) by analyzing the Initial Modules using sensors to measure internal and external axial strain (Imperial College electrolevel) and to study the stress paths effects on Initial Modules. The triaxial equipment used in this research was specially developed for the study of unsaturated soils. It includes a system for measuring the total volume variation of the specimen. This system is based on the principle of communicating vessels and is associated with a precision balance. The triaxial chamber has been developed based upon the dual chamber principle to eliminate dilatation effects. The equipment has been set up, but its validation was not possible due to a delay in the importation process of control, pressure application and data acquisition components.

[pt] Este trabalho apresenta resultados de um estudo realizado visando avaliar o mecanismo de ruptura associado ao escorregamento em solo não saturado ocorrido na Vista Chinesa (RJ) em fevereiro de 1988. São apresentados os resultados de um programa que envolveu investigações de campo e de laboratório, através do qual foram definidos os parâmetros necessários à realização de diversas análises. Foram utilizados os programas de computador SWMS-2D (análises de problemas de fluxo permanente/transiente em meios saturados / não saturados) e PC-SLOPE (análise de estabilidade de taludes utilizando de métodos de equilíbrio limite), com os quais procurou-se reproduzir, da maneira mais realista possível, os fenômenos observados na encosta em estudo. / [en] This thesys presents the results of one study aiming to evaluate failure mechanisms associated with the unsaturated soil lanslides which ocurred in Vista Chinesa (RJ) in february, 1988. There are showed the field and laboratory investigation program, which was the basis to define the parameters required for numerical simulations. In these simulations the SWMS-2D(analysis of permanent/transient flow problems in saturated/unsaturated media) and PC-SLOPE (stability analysis using the limit equilibrium methods) programs were used, in na attempt to reproduce as close as possiible the instability phenomena in the slope under investigation. / [es] Este trabajo presenta resultados de un estudio realizado para evaluar el mecanismo de ruptura asociado al deslizamiento de suelo no saturado, hecho que ocurrió en la zona de la Vista Chinesa (Rio de JaneiroJ) en Febrero de 1988. Se presentan los resultados de un programa que abarco investigaciones de campo y de laboratorio, a través del cual fueron definidos los parámetros necesarios a la realización de diversos análisis. Se utilizaron los programas de computador SWMS-2D (análisis de problemas de flujo permanente/transiente en medios saturados / no saturados) y PC-SLOPE (análisis de estabilidad de taludes utilizando métodos de equilibrio límite), con los cuales se intentó reproducir, de la manera más realista posible, los fenómenos observados en el lugar de estudio.

[pt] Neste trabalho se estuda a influência de um fluido alcalino na resistência ao cisalhamento de dois solos provenientes de Poços de Caldas-MG, sendo um deles um solo residual jovem de sienito e o outro um colúvio. Para tanto, elaborou-se um programa experimental que consistiu na execução de ensaios triaxiais CIU (solo residual jovem) e de cisalhamento direto (solo coluvionar), tanto com os solos no estado natural como contaminados. A contaminação dos solos se deu pela substituição total ou parcial do fluido intersticial por um licor cáustico, resíduo proveniente do processo do beneficiamento da bauxita. Ensaios de caracterização física, química e mineralógica, com os solos em ambos os estados, foram realizados com o intuito de auxiliar na análise dos resultados dos ensaios de resistência. Os resultados obtidos mostraram que os solos são suscetíveis à ação do licor, notando-se um decréscimo dos parâmetros de resistência. / [en] This work presents a study concerning the influence of an alkaline fluid in the shear strength of two soils originating from Poços de Caldas-MG, which one of them is a sienitic residual and the other a colluvium. For that, it was elaborated an experimental program consisting of the execution of CIU triaxial (residual soil) and direct shear (colluvium) tests. The tests were performed with the soils in the natural and contaminated states. The soils were contaminated through total or partial substitution of the pore fluids for a caustic liqueur, a residue originating from alumina production process. In order to provide better support for the analysis of strength tests results, it were performed physical, chemistry and mineralogical characterization tests, with the soils in both states. The experimental program results have shown that the liqueur causes loss of strength in both soils.

[pt] Neste trabalho, analisou-se a influência da sucção na resistência ao cisalhamento de um solo residual jovem de filito da região metropolitana de Belo Horizonte (MG). A fim de determinar a resistência ao cisalhamento do solo não saturado, foram realizados ensaios de cisalhamento direto com sucção controlada em amostras indeformadas e teor de umidade natural. Foram feitos também ensaios de cisalhamento direto convencional, em corpos de prova indeformados e submersos. Tais ensaios foram executados com diferentes níveis de tensão. Determinaram-se as curvas de retenção de umidade através do método do papel filtro, para se obter a relação entre a sucção e o teor de umidade do solo. O programa experimental compreendeu também ensaios de caracterização geotécnica, análises químico- mineralógicas. A partir da análise dos resultados de ensaios de cisalhamento direto convencional e com sucção controlada foi possível estabelecer uma envoltória de resistência ao cisalhamento em três dimensões para o solo estudado, função das variáveis de tensão ((sigma)-ua) e (ua-uw). Também são apresentadas algumas considerações sobre a influência da sucção na compressibilidade do material. Por fim, fez-se uma comparação dos resultados obtidos para a resistência ao cisalhamento com estimativas indiretas através de formulações simplificadas que usam os parâmetros efetivos de resistência e a curva característica de sucção (i.e. Lytton, 1995; Vanapalli et al., 1996; Fredlund et al., 1996; Oberg e Sallfors, 1997), assim como com outros resultados encontrados na literatura técnica. / [en] This work intends to evaluate the influence of suction in the shear strength of a young residual filite soil from Belo Horizonte city, of Minas Gerais, Brazil. The experimental program included conventional tests of geotechnical, chemical and mineralogical characterization. The relationship between suction and water content of soil was obtained by the filter paper method and represented graphically by soil-water characteristic curves (SWCC). In order to determine the shear strength of unsaturated soil, direct shear tests with controlled suction were executed with soil samples in their natural state. In addition, conventional shear strength tests were performed with undisturbed and submersed specimens. Both types of tests were performed with different values of stress. From the analysis of the tests´ results it was possible to establish a three- dimensional shear strength envelope in function of the stress state variables ((sigma)-ua) and (ua-uw). Moreover, some considerations about the influence of stress variables in compressibility of soil are discussed. Finally, a comparison of the results obtained for the soil´s shear strength was made with different prediction models using the SWCC and the effective strength parameters (i.e. Lytton, 1995; Vanapalli et al., 1996; Fredlund et al., 1996; Oberg e Sallfors, 1997). The results were also compared with other data found in the literature.

[pt] A necessidade da determinação do comportamento tensão-deformação de solos sob carregamento para fins de projeto de Engenharia exige o conhecimento prévio do estado natural de tensões ao que o solo está imposto. Quando se trata de solos residuais tropicais, este desafio amplia-se ainda mais devido à ação do intemperismo e variação de umidade. O estado natural do solo é usualmente expresso pelo coeficiente de empuxo no repouso (K0). Para a determinação de K0 três classes de métodos são utilizadas: métodos de correlação, de determinação in situ e em laboratório. Neste estudo, é utilizada uma célula rígida com sistema de controle de sucção para a obtenção de K0 em laboratório. Foram analisadas três amostras de solo residual de Gnaisse com diferentes graus de intemperismo, provenientes de São Conrado, Rio de Janeiro, denominadas: solo residual jovem (SRJ); solo residual de transição (SRT); e solo residual maduro (SRM). Para a análise da influência da sucção no valor do coeficiente de empuxo, cada amostra de solo foi ensaiada sob três diferentes condições de umidade, que tentaram representar as seguintes condições: mais úmida, com sucção de 10 kPa; intermediária, com 40 kPa de sucção; e mais seca, com 100 kPa. Os valores de K0 obtidos nos ensaios variaram de 0,50 a 0,65. Os resultados seguiram, em parte, a tendência esperada. Entretanto, devido à heterogeneidade do material estudado, é necessário realizar repetições dos ensaios a fim de obter dados representativos. / [en] The necessity to determine the stress-strain behavior of soils under loading for the purpose of engineering projects requires early knowledge of the natural state of stress that acting on the mass of soil. When it comes to tropical residual soils, this challenge is even greater due to weathering and moisture variation. The natural state of the soil is usually expressed by the coefficient of earth pressure at rest (K0). For the determination of K0 three classes of methods can be used: correlation meth-ods, in situ determination and laboratory tests. On this research, one rigid cell with system of suction control is used to obtain values of K0 in laboratory tests. Were analyzed three samples of Gneiss residual soil with different degrees of weathering. The samples were provenient to São Conrado, Rio de Janeiro and namely: young residual soil (SRJ), transition residual soil (SRT) and mature residual soil (SRM). To evaluate the influence of suction on the value of coefficient of earth pressure at rest, each sample of soil were tested into three different levels of moisture which correspond of following conditions: more humid, with suction of 10 kPa; interme-diate, with 40 kPa of suction; and more dry, with 100 kPa. The K0 values obtained in the tests ranged from 0,50 to 0,65. In general, the results attended the expected trend. However, due to the great heterogeneity of the studied material, it is neces-sary to perform repetitions of tests in order to obtain representative data.

[pt] A presente dissertação tem por objeto a análise teórica - comparativa, implementação computacional e avaliação da capacidade de simulação dos modelos constitutivos para solos, com ênfase nos solos não saturados. Primeiramente, são analisados os modelos básicos, clássicos e avançados formulados para solos saturados ou secos, assim como os modelos desenvolvidos para solos não saturados, incluindo também alguns modelos para solos estruturados. A seguir, e para testar a sua capacidade de modelagem, são implementadas as matrizes constitutivas de alguns dos modelos analisados para a retroanálise e previsão de comportamento de três solos residuais na condição saturada e não saturada. Como complemento da pesquisa, um dos modelos é utilizado na simulação de provas de carga com placa em solo residual pelo MEF, para os casos de saturação e umidade natural. Finalmente, são apresentadas organizadamente as conclusões gerais e particulares obtidas, assim como sugestões para futuras pesquisas no tema do presente trabalho. / [en] The objective of this thesis is to present a critical review of the main constitutive soil models published in the literature, discussing and evaluating their abilities to simulate the mechanical behavior of geological materials under the theoretical and numerical points of view, with emphasis on unsaturated soils. Firstly, some basic, classical and advanced soil models are presented and discussed, as well as a few other recent constitutive relationships specially developed for unsaturated and structured materials. In the sequence, in order to assess the efficiency and overall performance of some selected models, the respective constitutive matrices were numerically implemented for prediction and back-analysis of the response of three residual soils, in saturated and unsaturated conditions. As a complement of this research, one of the soil models is used to simulate the results of some plate load tests on a residual soil deposit through the finite element method. Finally, the general conclusions of this work are presented and some suggestions are made to aid future research in the area of soil modeling.

[pt] Deformabilidade e estabilidade de taludes em solo grampeado são aspectos relevantes na utilização deste sistema de reforço de taludes naturais ou resultantes de processo de escavação. A concepção do projeto envolve a escolha do comprimento, ângulo de instalação, espaçamento e resistência dos grampos. O dimensionamento, usualmente baseado na teoria do Equilíbrio Limite, não consegue prever deformações no interior da massa grampeada, assim como a redistribuição de esforços nos grampos ao longo das diversas etapas de escavação. Estas informações podem ser obtidas por modelagem computacional com o auxílio do programa FLAC, de forma a definir critérios de projeto para massas grampeadas em solo residual. Para escavações de baixa altura (inferiores a 5m), a razão entre comprimento do grampo e altura da escavação deve ser superior a 0,7 e a razão entre espaçamento vertical e comprimento do grampo inferior a 50%. Para escavações maiores, a razão entre espaçamento vertical e comprimento do grampo deve ser inferior a 25%. Para estas condições não é observada uma configuração de colapso do talude em solo grampeado. O ângulo de rotação da face da escavação é um parâmetro importante no projeto. Adicionalmente verifica-se que uma pequena variação na geometria, condições de contorno, modelo constitutivo e parâmetros do solo e do grampo causam mudanças expressivas nos valores de deslocamento, tensões iniciais e esforços axiais nos grampos. Uma pequena variação da inclinação do talude pode acarretar reduções de até 70% nos deslocamentos finais. Os esforços axiais máximos, mobilizados em cada grampo durante o processo de escavação, são maiores nos taludes mais íngremes. / [en] Deformability and stability of slopes supported by soil nailing are relevant aspects in the utilization of this reinforcement system during excavation. The project concept involves choosing the installation angle, spacing, and resistance of the soil nails. The parameters, usually determined from Limit Equilibrium Theory, cannot predict the deformation of the reinforced mass or the redistribution of stresses on the nails throughout the excavation stages. This information was obtained through computer modeling using the FLAC Program, which defined the performance of soil nailing masses in residual soil. For shallow excavations (H < 5m), the ratio between length and excavation height must be a minimum of 0.7, the ratio between spacing and length up to a maximum of 0.5. For higher excavations, the ratio between spacing and length has to be reduced to 0.25. The rotation angle of the excavation s face is an important parameter. Additionally, small variations in the geometry, boundary conditions, constitutive model, and soil and nail parameters, can cause large changes in the deformations, initial tensions and axial stresses in the nails. Regarding the slope inclination, a small variation can cause reductions of up to 70% in the final deformations. The maximum axial stresses mobilized in each nail during the process of excavation are larger in steeper slopes.

[pt] Para o conhecimento do estado de tensão natural do solo, expresso pelo coeficiente de empuxo no repouso (k0), emprega-se a realização de ensaios de laboratório em amostras indeformadas. A importância da determinação desse parâmetro para solos coluvionares diz respeito à aplicação em obras de engenharia que envolvam empuxo de terra e fundações. Existem correlações na literatura para a determinação de k0 que provém de pesquisas desenvolvidas considerando solos sedimentares, tipicamente de regiões temperadas ou frias. Ao lidar com solos coluvionares e residuais, típicos de regiões tropicais, não é condizente utilizar dessas correlações, visto que o k0 é afetado por vários fatores, tais como a sucção, grau de intemperismo, processo de laterização, entre outros que também afetam solos sedimentares saturados. Esse estudo analisa as amostras de solo coluvionar provenientes do talude da Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-Rio). Para determinar o coeficiente de empuxo no repouso do solo coluvionar na condição não saturada, é utilizado um equipamento de parede flexível, com sistema de controle de sucção. Para avaliar a influência da sucção no valor do coeficiente de empuxo no repouso, cada amostra foi ensaiada sob diferentes teores de umidade: mais úmida, com sucção de 10 kPa; intermediária com sucção de 40 kPa; e mais seca, com 100 kPa. Os valores de k0 obtidos nos ensaios variaram de 0,19 a 0,24. O coeficiente de empuxo no repouso do solo coluvionar na condição saturada (sucção nula) também foi determinado usando um equipamento triaxial servo-controlado tipo Bishop-Wesley. O valor de k0 obtido para o solo coluvionar na condição saturada foi de 0,36. Os resultados obtidos seguiram, em parte, a tendência esperada. / [en] For the knowledge of the natural stress state of the soil, expressed by the coefficient of earth pressure at rest (k0), a laboratory test is used in undisturbed samples. The importance of the determination of this parameter for colluvium soils relates to the application in engineering works that involve buoyancy of earth and foundations. There are correlations in the literature for determination k0 that comes from researches developed considering sedimentary soils, typically from temperate or cold regions. In dealing with residual and colluvium soils, typical of tropical regions, it is not appropriate to use these correlations, since k0 is affected by several factors, such as degree of weathering, laterization processes and suction, among others that also affect saturated sedimentary soils. This research analyzes samples of a colluvium soil from the Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-Rio). For the determination of the coefficient of earth pressure at rest of the unsaturated colluvium soil, a flexible wall equipment, with a system of suction control was used. In order to evaluate the influence of suction on the value of the coeficiente of erath pressure at rest, each sample was tested under different moisture contents: wetter, with suction of 10 kPa; intermediate with suction of 40 kPa; and drier with 100 kPa. The k0 values obtained in the tests ranged from 0,19 to 0,24. The coefficient of earth pressure at saturated colluvium (null suction) was also determined using Bishop and Wesley type, servo-controlled triaxial equipment. The value of k0 obtained for the colluvium soil in the saturated condition was equal to 0.36. The results in both trials followed, in part, the expected trend.

[pt] Muitos dos movimentos de massa gravitacionais estão fortemente associados a uma perda de sucção na resistência ao cisalhamento do solo, decorrente de variações de umidade de origem natural (variações atmosféricas) ou de origem artificial (atividade humana). Dentro deste contexto, no presente trabalho analisou-se a influência da sucção na resistência ao cisalhamento, determinaram-se as envoltórias de resistência ao cisalhamento na condição não saturada e avaliou-se a influência de ciclos de umedecimento e secagem na resistência dos solos. Dois tipos de solos da região de Tinguá/RJ foram selecionados para estudo: um solo Residual Jovem e um Colúvio. Estes solos foram submetidos a um programa experimental que consistiu da caracterização granulométrica e mineralógica do material, seguido da obtenção da curva de retenção de água pelo método do papel filtro. Os ensaios de resistência ao cisalhamento envolveram ensaios de cisalhamento direto na condição saturada ou inundada e, para a condição não saturada, utilizou-se o equipamento de cisalhamento direto com sucção controlada (CDSC) da PUC-Rio, projetado por de Campos (1988) e implementado por Fonseca (1991) e Delgado (1993). O equipamento está baseado na técnica de translação de eixos. Para a determinação da velocidade de cisalhamento na condição não saturada utilizou-se a metodologia proposta por Ho e Fredlund (1982). A partir dos resultados obtidos foi possível obter os parâmetros da envoltória do solo não saturado, parâmetros efetivos de resistência do solo saturado, parâmetro que quantifica o aumento na resistência devido a um aumento na sucção matricial; , e c; e plotar a superfície 3D da envoltória que relaciona a resistência do solo não saturado com a tensão normal líquida e a sucção. / [en] Many of gravitational mass movements are strongly associated with a loss of suction on shear strength of the soil due to moisture variations of natural origin (atmospheric variations) or artificial sources (human activity). Within this context, the present study examined the influence of suction on shear strength, determined whether the envelopes of shear strength in unsaturated condition and evaluated the influence of wetting and drying cycles in soil strength. Two types of soils in the region of Tinguá / RJ were selected for study: A Young Residual soil and colluvium. These soils were subjected to an experimental program that consisted of particle size and mineralogical characterization of the material, followed by obtaining the curve of water retention by the filter paper method. The shear strength tests involved direct shear tests on saturated or flooded condition and to unsaturated condition, we used the direct shear device with controlled suction (CDSC) of PUC-Rio, designed by Field (1988) and implemented by Fonseca (1991) and Delgado (1993). The device is based on the technique of translation of the axes. For the determination of the shear rate in the unsaturated condition used the methodology proposed by Ho and Fredlund (1982). From the results it was possible to obtain the parameters of the envelope of unsaturated soil, effective resistance parameters of saturated soil, b, and c; and plot the 3D surface of the envelope which relates the strength of unsaturated soil with net normal stress and suction.