Helical anchors, used widely to resist uplift loading for a variety of applications, including in transmission towers, pipelines, offshore structures, etc., are subjected to environmental cyclic loads that influence the anchor performance and may induce fatigue failure. However, the influence of cyclic loading on helical anchor behaviour is unknown. A comprehensive evaluation of the effect of cyclic loading on the load-displacement response of single-helix anchors in sandy soils is presented here, including an interaction diagram to help designers evaluate the impact of different conditions in cyclic loadings. The experimental work of this thesis includes geotechnical centrifuge modelling and field load tests. The centrifuge model tests were carried out with reduced scale models of helical anchors in sand, at IFSTTAR (Nantes, France). The field load tests were performed on helical anchors installed in a tropical residual soil of the Experimental Site of the University of São Paulo (São Carlos, Brazil). In addition, numerical modelling was used to predict the pre- and postcyclic responses of the single-helix anchors tested in a centrifuge. The main findings of this research are: (a) helical anchor behaviour is governed by helix bearing resistance, and no loss of helix bearing capacity was observed in the range of cyclic loadings tested, (b) the degradation of shaft resistance was noticed mainly during the first 100 cycles, when the accumulation of permanent displacements is more significant, (c) an interaction diagram showing the different conditions of cyclic stability is proposed from the results of the experimental data, (d) modified values of the bearing capacity factor in tension (Nq) are suggested for the estimation of post-cyclic uplift capacity of single-helix anchors in sand, (e) the installation effect of the anchor should be taken into account in the numerical model in order to obtain reliable predictions of the helical anchor performance. / As estacas helicoidais são largamente utilizadas para resistir a carregamentos de tração em uma variedade de aplicações como torres de linhas de transmissão de energia, dutos enterrados, estruturas offshore, etc. Estes tipos de estruturas são normalmente submetidos a carregamentos cíclicos que influenciam o desempenho de fundações por estacas helicoidais submetidas a esforços de tração, e podem induzir ruptura por degradação da capacidade de carga. Contudo, a influência do carregamento cíclico no comportamento das estacas helicoidais (ou ancoragens helicoidais, quando submetidas apenas a esforços de tração) é pouco conhecida. Uma avaliação abrangente do efeito de carregamentos cíclicos sobre o comportamento das ancoragens helicoidais é apresentada nesta tese, incluindo um diagrama de interação para auxiliar na avaliação do impacto de diferentes condições de carregamento cíclico. O trabalho experimental desta tese inclui modelagem em centrífuga geotécnica e ensaios de carregamento cíclico em estacas na grandeza real em campo. Os ensaios em centrífuga foram realizados com modelos reduzidos de estacas helicoidais em areia, no IFSTTAR (Nantes, França). Os ensaios de campo foram realizados em ancoragens helicoidais instaladas no solo residual tropical do Campo Experimental de Fundações da Universidade de São Paulo (São Carlos, Brasil). Além disso, modelos numéricos foram utilizados para simular os resultados do comportamento das ancoragens helicoidais ensaiadas em centrífuga nas condições pré- e pós-ciclos. Os principais resultados desta pesquisa são: (a) a capacidade de carga à tração da ancoragem helicoidal é controlada pela capacidade de carga da hélice, (b) a degradação da resistência por atrito lateral foi observada principalmente durante os primeiros 100 ciclos, período em que a acumulação dos deslocamentos permanentes é mais significante, (c) um diagrama de interação mostrando as diferentes condições de estabilidade cíclica é proposto a partir dos resultados experimentais em centrífuga, (d) valores modificados do fator de capacidade de carga em tração (Nq) são sugeridos para estimativa da capacidade pós-ciclos de ancoragens helicoidais com uma hélice em areia, (e) o efeito da instalação da ancoragem deve ser levado em consideração no modelo numérico para que se obtenha previsões confiáveis do desempenho de ancoragens helicoidais.

O uso de fundações por estacas helicoidais tem aumentado consideravelmente nos últimos anos, devido às suas vantagens comparadas a outros tipos de fundação, como a sua rápida instalação e sua capacidade de resistir simultaneamente a esforços de tração e de compressão. No entanto, os métodos de previsão do comportamento deste tipo de fundação submetida a esforços de tração (denominadas ancoragens helicoidais neste caso), ainda são insatisfatórios, e normalmente são observadas discrepâncias entre os resultados estimados por métodos teóricos e medidos em provas de carga. Entre outras razões, estas diferenças ocorrem principalmente pelo fato dos efeitos da instalação destas ancoragens no solo não serem considerados nos métodos de previsão disponíveis. No momento da instalação, os parâmetros do solo atravessado são modificados, e como é o volume de solo alterado que deve resistir ao carregamento da ancoragem sob tração, é essencial entender e quantificar este efeito de instalação para uma previsão adequada da capacidade de carga deste tipo de ancoragem. Para contribuir com o entendimento deste efeito, no presente trabalho foram realizadas simulações numéricas com o software FLAC3D, para se conhecer as modificações ocorridas no solo devido à instalação de uma ancoragem helicoidal em areia compacta. Para este fim, na simulação do solo penetrado pela hélice, foram reduzidos os valores de ângulo de atrito e do módulo de elasticidade da areia. O modelo foi validado por meio da comparação com a curva carga-deslocamento obtida experimentalmente em ensaios realizados em centrifuga. Após o ajuste do modelo numérico, foi realizada uma análise paramétrica com o objetivo de investigar o efeito da instalação no fator de capacidade de carga (Nq). Por meio da análise paramétrica também foram avaliados o deslocamento da ancoragem sob carga máxima e as tensões horizontais atuantes na superfície de ruptura. Os resultados estimados de Nq foram comparados com estudos anteriores, e mostraram um bom ajuste com resultados de provas de carga in situ e em centrifuga. Além disso, o estudo paramétrico indicou que as tensões horizontais atuantes na zona de ruptura são distribuídas em forma de tronco de cone, e variam de acordo com o diâmetro da hélice. / The use of helical foundations has increased considerably in recent years due to its advantages compared to other types of foundations, such as rapid installation and the capacity of resisting tensile and compressive loads. However, the methods normally used to predict the behavior of this type of foundation under tensile loads (called helical anchors in this case), are still unsatisfactory, and discrepancies are usually observed between the results estimated by theoretical methods and measured in load tests. Among other reasons, these differences occur mainly because the effects of helical anchor installation in the soil are not considered in the available predicting methods. During installation, the parameters of the soil penetrated are modified, and since it is this disturbed soil volume that must support the loading of the anchor under tension, it is essential to understand and quantify this installation effect for an adequate prediction of the uplift capacity of this type anchor. In order to contribute to the understanding of this effect, in the present work numerical simulations with the software FLAC3D were performed to evaluate the modifications occurred in the soil due to the installation of a helical anchor in dense sand. For this purpose, in the simulation of the soil penetrated by the helices, the values of friction angle and modulus of elasticity of the sand were reduced. The model was validated by means of the comparison with a load-displacement curve obtained experimentally in centrifuge model tests. After adjusting the numerical model, a parametric analysis was carried out to investigate the effect of the installation on the breakout factor (Nq). The parametric analyses were also used to investigate the anchor displacement at the peak load and the horizontal stresses acting on the failure surface. The estimated Nq values were compared with previous studies, and showed a good agreement with experimental results obtained by field and centrifuge tests. Additionally, the parametric study indicated that the horizontal stresses acting on the failure zone are distributed in the shape of a truncated cone, and vary with the helix diameter.