[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] O presente trabalho apresenta um estudo do comportamento mecânico de um solo argiloso e um solo residual, submetidos a ensaios com temperaturas entre 20ºC e 70ºC. O programa experimental envolveu ensaios de caracterização (limites de Atterberg), ensaios de adensamento com carregamento incremental (SIC), triaxiais não drenados (CIU) e de cisalhamento direto. Para a realização dos ensaios de limites de Atterberg, as amostras foram previamente aquecidas em estufa. Para a realização dos ensaios de adensamento, triaxiais e de cisalhamento direto, foram desenvolvidos sistemas de aquecimento, controle e distribuição térmica, para garantir ao corpo de prova uma uniformidade da temperatura preestabelecida. Uma metodologia de calibração do sistema de aquecimento foi desenvolvida para se determinar o tempo necessário para o equilíbrio térmico dos solos. Houve também a preocupação com a calibração prévia dos instrumentos eletrônicos da prensa triaxial (transdutores e célula de carga) na temperatura dos ensaios. Na faixa de temperatura estudada, o preaquecimento não têm influência nos resultados de limites do solo argiloso. Os ensaios de adensamento revelaram que o aquecimento leva a um aumento da compressibilidade do solo, assim como um aumento da velocidade de adensamento. Nos ensaios triaxiais, observou-se que o aumento da temperatura causa um aumento da resistência dos materiais, além de reduzir o excesso de poropressões gerado durante o cisalhamento não drenado. Os ensaios de cisalhamento direto confirmaram a tendência de aumento da resistência observada nos ensaios triaxiais, além de indicar uma redução da deformabilidade volumétrica durante o cisalhamento. / [en] The subject matter of this thesis is the study of the mechanical behavior of clay and residual soils subjected to a series of tests with temperatures ranging from 20 to 70ºC. The experimental program consisted of Atterberg limits, consolidation tests with incremental loading (SIC), triaxial consolidated undrained tests (CIU) and direct shear tests on both soil types under saturated conditions. Samples for Atterberg limit tests have been pre-heated in oven to the specified temperature. Heating control and thermal distribution systems have been specially developed for insuring an homogeneous temperature throughout the consolidation, triaxial and direct shear tests. The thermal balance times for the two soils were achieved by means of a calibration method developed for the heating system. Transducers and load cell calibration were carefully calibrated acording to the temperature range for the testing program. It may be concluded that pre-heating to temperatures below 70ºC has no influence on the Atterberg limits results for both soils. Consolidation tests have shown that heating on samples leads to an increase in compressibility and also on the coefficient of consolidation. From the triaxial tests it was observed that an increase in temperature leads to an increase in strength and to smaller excess porepressures during undrained shear tests. The increase in shear strenght with temperature observed on triaxial tests was also confirmed by direct shear tests. These effects were more significant in clay than in residual soil.

[pt] Um perfil de alteração de granito-gnaisse é estudado objetivando um melhor conhecimento das propriedades mecânicas e hidráulicas de solos residuais. A feição estudada encontra-se no município de Campo Magro, região Metropolitana de Curitiba. A região situa-se na borda da Bacia de Curitiba, acima de 900 metros, fortemente sujeita aos fenômenos tectônicos que deram origem à calha da Bacia. As investigações geotécnicas contemplam a caracterização física, química e mineralógica dos materiais. O comportamento dos solos no estado compactado e indeformado é analisado. Curvas características de sucção e de resistividade fornecem dados que auxiliam no entendimento das propriedades hidráulicas. A influência do intemperismo e da sucção são avaliados na resistência à tração e na resistência à compressão não confinada. Parâmetros de resistência em cinco diferentes níveis de intemperismo são apresentados. Ensaios de adensamento fornecem parâmetros de quebra da estrutura (yelding) dos solos. O comportamento tensão- deformação do solo mais intemperizado, no estado não saturado, é analisado através de ensaios triaxiais com medida de deformação local, em compressão axial com tensão controlada e deformação controlada. As conclusões da pesquisa permitem identificar a variabilidade de comportamento de resistência e compressibilidade, efeito do material de origem e intemperismo a que os solos foram submetidos. / [en] A granite-gneiss weathering profile is studied with the aim of achieving a better understanding of mechanical and hydraulic properties of residual soils. The site in focus is located at the city of Campo Magro, in Curitiba Metropolitan Area. The region under research lies at the border of Curitiba Basin, above 900 m of elevation, and it was heavily influenced by tectonic events that originated the basin. The geotechnical investigation comprised physical, chemical and mineralogical characterization. The soil behavior was assessed in both natural and compacted conditions. Suction and resistivity characteristic curves provide useful information for assessing the hydraulic properties. The weathering degree and suction levels influence are assessed in respect to unconfined compressive and tensile strength. The resistance properties are analyzed according five distinct weathering degrees. Consolidation tests are used for identifying yielding stress levels. Unsaturated triaxial tests with local strain measurements in both stress and strain control conditions are used to study the deformation behavior of the most weathered soil. The conclusions provide an overall assessment of the soil strength and compressibility variability, origin material influence and weathering evolution effects.

[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] 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.

[pt] O presente trabalho de pesquisa teve dois objetivos principais. O primeiro foi obter um índice geotécnico que permita avaliar o grau de intemperismo dos solos residuais. Para isto foram analisados dados correspondentes a perfis de alteração de Gnaisse característicos do município do Rio de Janeiro e executou-se a caracterização completa de um perfil específico de alteração de Gnaisse Facoidal. O segundo objetivo foi a determinação experimental das propriedades hidráulicas de solos tropicais não saturados. Como parte deste objetivo foram desenvolvidos novos instrumentos e modificados equipamentos existentes. A determinação da curva característica de sucção foi efetuada em seis solos residuais e em dois solos sedimentares. Na obtenção das curvas de retenção foram utilizadas as técnicas de translação de eixos, papel filtro e umidade relativa. Esta curva foi também definida a partir de resultados de ensaios de porosimetria de mercúrio. Avaliou-se a aplicabilidade dos modelos disponíveis na literatura no ajuste dos dados experimentais. A função de permeabilidade foi determinada em dois solos, um residual e um sedimentar, utilizando um permeâmetro de parede flexível com sucção controlada. Análises numéricas, efetuadas para avaliar o comportamento do equipamento utilizado, possibilitaram a definição de uma metodologia otimizada de interpretação dos resultados. A aplicabilidade dos modelos disponíveis na literatura na obtenção da função de permeabilidade foi analisada, tendo-se verificado a necessidade de introdução de mudanças nestas formulações para se conseguir reproduzir as medidas diretas efetuadas. / [en] The present research work had two main objectives. The first was to obtain a geotechnical index for measuring the weathering degree of gneissic residual soils. For that it were analyzed data corresponding to typical weathering profiles found in the municipality of Rio de Janeiro and executed a complete characterization of a specific weathering profile of facoidal gneiss. The second objective was to determine, experimentally, the hydraulic properties of tropical unsaturated soils. As part of that new instruments were developed and existing equipments were modified. Moisture retention curves were determined for six residual soils and two sedimentary ones. The axis- translation technique, the filter paper method and the relative humidity one were employed to obtain such curves. Data from mercury intrusion porosimetry tests were also used to define these curves. The applicability of models available in literature to adjust the obtained experimental data was evaluated. The hydraulic conductivity function was determined for two soils, one residual and one sedimentary. A suction controlled, flexible wall permeameter set up was used for that. Numerical modeling was implemented to evaluate the performance of the experimental set up. This provided means for an optimized interpretation of the testing results. The applicability of models available in the literature to obtain the permeability functions was evaluated, being found the need to introduce changes in their formulation in order to be able to reproduce the obtained experimental data.