Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2014. / Submitted by Albânia Cézar de Melo (albania@bce.unb.br) on 2014-08-14T14:14:25Z No. of bitstreams: 1 2014_MarlonJoseLima.pdf: 4227439 bytes, checksum: 6b0ba17bce8cbca5bbda7e839b85b32e (MD5) / Approved for entry into archive by Guimaraes Jacqueline(jacqueline.guimaraes@bce.unb.br) on 2014-08-18T11:52:09Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2014_MarlonJoseLima.pdf: 4227439 bytes, checksum: 6b0ba17bce8cbca5bbda7e839b85b32e (MD5) / Made available in DSpace on 2014-08-18T11:52:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2014_MarlonJoseLima.pdf: 4227439 bytes, checksum: 6b0ba17bce8cbca5bbda7e839b85b32e (MD5) / O objetivo deste trabalho foi avaliar a utilização de um geotêxtil não tecido em substituição ao solo granular na composição de um sistema de barreira capilar. Foram realizados diversos ensaios de infiltração em coluna, combinando camadas de solo fino com geotêxteis não tecidos com massas por unidade de área iguais a 200 g/m², 300 g/m² e 400 g/m², além de materiais granulares como areia e pedregulho. A barreira capilar é uma opção de projeto de cobertura evapotranspirativa para áreas destinadas a disposição de resíduos sólidos. Seu funcionamento considera o contraste entre as propriedades hidráulicas de uma camada de solo fino sobreposto a uma camada de material granular, resultando em impedância hidráulica, limitando o movimento do fluxo de água. Neste sistema, a camada superficial de solo funciona como um depósito de umidade, retendo a água da chuva e devolvendo à atmosfera pelos processos naturais de evaporação e transpiração. Para melhor compreensão do comportamento hidráulico dos geotêxteis foram realizados ensaios de coluna suspensa, para determinação das curvas de retenção de água. A condutividade hidráulica não saturada dos geotêxteis foi estimada pela metodologia de van Genutchen (1980). Foi desenvolvido um equipamento utilizando a metodologia do ponto de bolha (bubble point test) para determinação da curva de distribuição de tamanho de poros dos geotêxteis não tecidos utilizados nos ensaios de infiltração em coluna. Os resultados obtidos mostraram a eficiência de geotêxteis não tecidos como barreiras capilares. ______________________________________________________________________________ ABSTRACT / This thesis aimed at evaluating the use of a nonwoven geotextile as a replacement for coarse soil in capillary barriers. Several columns infiltration tests were performed, combining layers of fine soil with nonwoven geotextiles with masses per unit of 200 g/m², 300 g/m² and 400 g/m², in addition to granular materials such as sand and gravel. The capillary barrier is an option for evapotranspirative cover systems. Its operation considers the contrast between the hydraulic properties of a fine soil layer and a coarse material, resulting in hydraulic impedance that limits the flow of water. The top soil layer acts as a moisture reservoir, retaining infiltration and returning moisture to the atmosphere by natural the processes of evaporation and transpiration. In order to have a better understanding on the geotextile hydraulic behavior hanging column tests were performed to obtain water retention curves. The geotextile unsaturated hydraulic conductivity was estimated by van Genutchen (1980) methodology. A bubble point test equipment was developed to obtain geotextile pore size distribution. The results obtained showed the efficiency of nonwoven geotextiles as capillary barriers.

O presente trabalho consiste na avaliação experimental da influência do avanço da frente de umedecimento no comportamento de protótipos de muros de um solo fino reforçado com geotêxteis não tecidos. O desempenho dos protótipos foi analisado nas condições de eventos de chuvas de intensidade e duração variáveis, bem como na condição de precipitação intermitente com intensidade próxima e inferior à condutividade hidráulica do solo. Para efeito comparativo, avaliou-se o comportamento de um protótipo na condição de umidade de compactação constante. Durante a infiltração, observou-se a formação de barreira capilar sobre o geotêxtil e a eficiência de drenagem proporcionada pelos reforços, não permitindo o desenvolvimento de pressões da água positivas mesmo sob a condição de carregamento rápido. Após quebra da barreira, os valores de grau de saturação mantiveram-se em torno de 90% e as pressões da água ficaram próximas de zero ou negativas. Com relação ao comportamento dos protótipos, evidências mostraram que a formação de barreiras capilares nas interfaces solo-geotêxteis não influenciou negativamente no desempenho dos protótipos. Diante do umedecimento, as deformações e deslocamentos máximos aumentaram exponencialmente com o grau de saturação do solo. Ainda, estes parâmetros relacionaram-se com a sucção matricial de forma semelhante à tendência estabelecida na curva retenção de água do solo. Tais relações foram estritamente associadas às alterações da rigidez média do solo devido ao avanço da infiltração e as alterações na sucção do solo. Na condição umidade constante, constatou-se que o maciço poderia se manter estável mesmo com a ausência dos reforços devido à elevada rigidez proporcionada pela sucção do solo. De modo geral, os deslocamentos e deformações foram relativamente pequenos sob a ação da variável umedecimento. A associação desta com os incrementos de tensões geraram deformações adicionais, embora estas ainda não possam ser consideradas excessivas. Os resultados de uma estrutura real corroboraram o comportamento verificado em laboratório. De modo geral, os níveis de deformações foram bastante semelhantes e a presença de água não prejudicou o desempenho da estrutura. Curiosamente, geotêxteis não tecidos de baixa resistência e rigidez à tração foram tão eficazes na estabilidade quanto geotêxteis tecidos de maior rigidez e resistência. Portanto, a eficiência de estruturas de solos finos reforçados com geotêxteis não tecidos foi constatada, mostrando estas possíveis de compor estruturas permanentes. / The effect of the wetting front advancement on the performance of nonwoven geotextile reinforced soil walls constructed with poorly draining soils was evaluated by laboratory full scale models. The tested models performances were monitored under rainfall conditions with different intensities and duration, as well as under intermittent precipitation with reduced intensity of precipitation (lower than the soil permeability). For comparison purposes, an evaluation of a full scale model was conducted with constant soil water content (compaction water content). As regards infiltration, capillary barrier formation have been observed on the interface soil-geotextile during infiltration process; besides, the drainage function of reinforcements after the breakthrough of water, in which water pressures development have not been allowed to occur even after rapid loading. After breakthrough of water, the degree of saturation was maintained around 90% and water pressures were negatives and close to zero. Besides, there are evidences that capillary barriers did not affect the model performance. As a result of wetting advancement, reinforcement strains and internal displacements have increased exponentially with the average of degree saturation of soil. Additionally, these parameters have shown to be correlated to the matric suction of soil with the same trend of the water retention curve. These relationships are essentially resulted from the soil stiffness alterations due to the wetting advancement and suction reduction. Under water content of compaction, reinforcement tensile forces were approximately zero, as a result of the relatively high stiffness of the unsaturated soil caused by the matric suction. Generally, displacements and reinforcement strains were small under wetting conditions and increased when stress increments were applied. However, these strains levels obtained cannot be considered excessive. A validation of laboratory results was observed in an instrumented geotextile reinforced soil wall, in addition to the comparison between woven and nonwoven geotextile sections, in which similar performances were found. Strains levels registered in field were consistent to the laboratory and the nonwoven geotextile wall was not affected by the wetting occurrence. Therefore, the efficiency of nonwoven geotextiles reinforced walls under wetting conditions is assured with no positive water pressures and relatively low levels of degree of saturation, being able to constitute permanent reinforced walls.

This study presents the climatic effects (rainfall and evaporation) on the stability of reinforced soil walls constructed with nonwoven geotextiles reinforcements using numerical modeling. The evaluation of the climatic effects was organized in two steps: (1) numerical modeling of the infiltration compared to a laboratory full-scale model of a nonwoven reinforced soil wall and; (2) a numerical investigation of a hypothetical geosynthetic-reinforced soil wall subjected to climatic changes including precipitation and evaporation, for a period of 2 years. The numerical modeling of infiltration into the full-scale model was conducted using two representative hydraulic parameters of backfill soil (suction and volumetric moisture content). The infiltration modeling of the laboratory reinforced structure was conducted to provide better understanding around the hydraulic behavior and water path into regions not measured by instrumentation during laboratory tests. Numerical calibration was conducted in order to capture the capillary break developed at soil-geotextile interfaces, including the anchorage of the reinforcements in the wrap-around facing. As a second step of this study, a hypothetical reinforced soil wall constructed with nonwoven geotextile was modeled using the same hydraulic properties of soil and geotextile used in the previously described numerical modeling. The climatic changes were simulated considering the water balance at ground surface. The climatic effects on the reinforced soil wall were assessed by the use of soil suction changes and consequent influences on the factors of safety over 2 years of operation. Results from numerical simulation of infiltration into the laboratory model indicated that water breakthrough did not occur uniformly along the length of the geotextile. In addition, numerical infiltration into the laboratory model showed that the water path into the reinforced zone is influenced by the anchorage of the reinforcement in the wrap-around facing. The results of the climatic variations in the hypothetical structure showed that approximately 50% of potential evaporation and total rainfall effectively evaporates and infiltrates. Also, the results revealed that the capillary barrier did not generate significant surface runoff and did not reduce the effective infiltration in the reinforced zone. On the other hand, water was observed to advance faster outside of the reinforced zone than inside of the reinforced zone because of the capillary barrier. Additionally, simulations showed that soil inside of the reinforced zone never recovered its initial suction value after first wetting because the capillary barrier restricted evaporation. Results also revealed that increases in global factor of safety, after first wetting of the geotextile reinforced soil wall, occurred because of the increases in soil suction of the first reinforced layer. Lastly, cumulative precipitation during successive days of rainfall showed some correlation to changes in global factor of safety. / Este estudo apresenta os efeitos das variações climáticas (chuva e evaporação) em muros de solo reforçado com geotêxtil não tecido através de analises numéricas. A avaliação dos efeitos climáticos foi dividida em duas fases: (1) calibração numérica da infiltração em um protótipo de laboratório de muro reforçado com geotêxtil não tecido e; (2) extrapolação dos resultados de infiltração para uma estrutura hipotética incluindo as variações climáticas de chuva e evaporação por um período de 2 anos. A calibração numérica foi realizada por meio de duas variáveis (sucção e umidade volumétrica) medidas durante a infiltração no protótipo. Estudos numéricos do processo de infiltração foram conduzidos para melhor entender o comportamento hidráulico da infiltração em regiões que não foram monitoradas durante a infiltração no protótipo. A calibração numérica foi conduzida com o objetivo de capturar o efeito da barreira capilar na interface solo-geotêxtil não tecido, incluindo a ancoragem do reforço próximo a face envelopada. A partir dos resultados da calibração, um muro hipotético reforçado com geotêxtil não tecido foi modelado sob condições climáticas reais (chuva e evaporação), e seu desempenho foi avaliado através das variações de sucção e do fator de segurança ao longo de 2 anos. As variações climáticas foram modeladas considerando o balanço de hídrico na superfície do solo. Os resultados da calibração numérica do modelo de laboratório indicaram que a barreira capilar na interface solo-reforço rompeu de forma não uniforme ao longo do geotêxtil não tecido. Além disso, a avaliação da infiltração mostrou que o fluxo de água tem sua direção afetada pela ancoragem do reforço próximo a face. Os resultados das variações climáticas na estrutura hipotética mostraram que aproximadamente 50% da evaporação potencial e da chuva total efetivamente evapora e infiltra. Além disso, os resultados revelaram que a formação de barreira capilar, e consequente retardo na infiltração, não gerou escoamento superficial significativo e não reduziu o volume de água efetivamente infiltrado na zona reforçada. Ademais, as variações de sucção observadas na zona reforçada se mostraram diretamente ligadas aos dias consecutivos de chuva. Por outro lado, observou-se que a frente de umedecimento avançou mais rápido fora da zona reforçada do que dentro da zona reforçada devido à barreira capilar. As simulações mostraram que o solo dentro da zona reforçada nunca recuperou seu valor inicial de sucção após o primeiro umedecimento porque a barreira capilar restringiu a evaporação. Os resultados também revelaram que o aumento no fator global de segurança, após o primeiro umedecimento do muro reforçado com geotêxtil, ocorreu devido ao aumento da sucção do solo da primeira camada reforçada. Por fim, a precipitação acumulada durante dias consecutivos de chuva mostrou correlação com as mudanças no fator de segurança.

O presente trabalho consiste na avaliação experimental da influência do avanço da frente de umedecimento no comportamento de protótipos de muros de um solo fino reforçado com geotêxteis não tecidos. O desempenho dos protótipos foi analisado nas condições de eventos de chuvas de intensidade e duração variáveis, bem como na condição de precipitação intermitente com intensidade próxima e inferior à condutividade hidráulica do solo. Para efeito comparativo, avaliou-se o comportamento de um protótipo na condição de umidade de compactação constante. Durante a infiltração, observou-se a formação de barreira capilar sobre o geotêxtil e a eficiência de drenagem proporcionada pelos reforços, não permitindo o desenvolvimento de pressões da água positivas mesmo sob a condição de carregamento rápido. Após quebra da barreira, os valores de grau de saturação mantiveram-se em torno de 90% e as pressões da água ficaram próximas de zero ou negativas. Com relação ao comportamento dos protótipos, evidências mostraram que a formação de barreiras capilares nas interfaces solo-geotêxteis não influenciou negativamente no desempenho dos protótipos. Diante do umedecimento, as deformações e deslocamentos máximos aumentaram exponencialmente com o grau de saturação do solo. Ainda, estes parâmetros relacionaram-se com a sucção matricial de forma semelhante à tendência estabelecida na curva retenção de água do solo. Tais relações foram estritamente associadas às alterações da rigidez média do solo devido ao avanço da infiltração e as alterações na sucção do solo. Na condição umidade constante, constatou-se que o maciço poderia se manter estável mesmo com a ausência dos reforços devido à elevada rigidez proporcionada pela sucção do solo. De modo geral, os deslocamentos e deformações foram relativamente pequenos sob a ação da variável umedecimento. A associação desta com os incrementos de tensões geraram deformações adicionais, embora estas ainda não possam ser consideradas excessivas. Os resultados de uma estrutura real corroboraram o comportamento verificado em laboratório. De modo geral, os níveis de deformações foram bastante semelhantes e a presença de água não prejudicou o desempenho da estrutura. Curiosamente, geotêxteis não tecidos de baixa resistência e rigidez à tração foram tão eficazes na estabilidade quanto geotêxteis tecidos de maior rigidez e resistência. Portanto, a eficiência de estruturas de solos finos reforçados com geotêxteis não tecidos foi constatada, mostrando estas possíveis de compor estruturas permanentes. / The effect of the wetting front advancement on the performance of nonwoven geotextile reinforced soil walls constructed with poorly draining soils was evaluated by laboratory full scale models. The tested models performances were monitored under rainfall conditions with different intensities and duration, as well as under intermittent precipitation with reduced intensity of precipitation (lower than the soil permeability). For comparison purposes, an evaluation of a full scale model was conducted with constant soil water content (compaction water content). As regards infiltration, capillary barrier formation have been observed on the interface soil-geotextile during infiltration process; besides, the drainage function of reinforcements after the breakthrough of water, in which water pressures development have not been allowed to occur even after rapid loading. After breakthrough of water, the degree of saturation was maintained around 90% and water pressures were negatives and close to zero. Besides, there are evidences that capillary barriers did not affect the model performance. As a result of wetting advancement, reinforcement strains and internal displacements have increased exponentially with the average of degree saturation of soil. Additionally, these parameters have shown to be correlated to the matric suction of soil with the same trend of the water retention curve. These relationships are essentially resulted from the soil stiffness alterations due to the wetting advancement and suction reduction. Under water content of compaction, reinforcement tensile forces were approximately zero, as a result of the relatively high stiffness of the unsaturated soil caused by the matric suction. Generally, displacements and reinforcement strains were small under wetting conditions and increased when stress increments were applied. However, these strains levels obtained cannot be considered excessive. A validation of laboratory results was observed in an instrumented geotextile reinforced soil wall, in addition to the comparison between woven and nonwoven geotextile sections, in which similar performances were found. Strains levels registered in field were consistent to the laboratory and the nonwoven geotextile wall was not affected by the wetting occurrence. Therefore, the efficiency of nonwoven geotextiles reinforced walls under wetting conditions is assured with no positive water pressures and relatively low levels of degree of saturation, being able to constitute permanent reinforced walls.