Esta pesquisa apresenta uma ampliação da investigação da capacidade de um modelo constitutivo hipoplástico de representar o comportamento tensão-deformação dos solos. Os modelos hipoplásticos apresentam características que os toram mais adequados, em muitas situações, a fornecer respostas mais realistas que os modelos baseados na elastoplasticidade clássica, que são os mais utilizados na prática da engenharia atual. O trabalho então consistiu da simulação, através de um equacionamento hipoplástico, de ensaios triaxiais drenados realizados em solos e trajetórias de tensão aos quais o modelo em estudo ainda não havia sido aplicado, tais como em corpos de prova adensados anisotropicamente e em trajetórias com decréscimos da tensão desviadora, bem como da comparação entre a resposta do modelo e os respectivos resultados desses ensaios. Em termos qualitativos, os resultados obtidos nesse confronto são bons em todas as situações estudadas. Quantitativamente, são bons na maioria das situações e razoavelmente bons em outras. / This research presents an extension of the investigation of the capacity of a hypoplastic constitutive model to represent the stress-strain behavior of soils. Hipoplastic models have characteristics that make them more suitable, in many situations, to provide more realistic answers than models based on classical elastoplasticity, which are most often used in engineering practice today. The work then consisted in the simulation, through a hypoplastic equation, of drained triaxial tests performed on soils and stress paths to which the model had not been applied yet, such as anisotropically consolidated specimens and paths with decreasing deviatoric stress as well as in the comparison between the response of the model and the results of those tests. The results obtained in this comparison are qualitatively good in all the situations studied. Quantitatively, they are good in most situations and reasonably in the others.

São propostas modificações em um modelo hipoplástico buscando representar o comportamento mecânico de argilas sobreadensadas. São introduzidos no modelo a razão de sobreadensamento, o intercepto de coesão e índices que representam características do trecho sobreadensado, resultando em parâmetros com claro sentido físico e de fácil determinação. A equação constitutiva é então calibrada com parâmetros de solos sobreadensados e a capacidade dos modelos de representar o comportamento de dois solos em particular é verificada, confrontando as previsões teóricas com resultados experimentais em diversas situações de carregamento e para uma larga faixa de razões de sobreadensamento. Verifica-se que as modificações introduzidas no modelo hipoplástico contemplam avanços significativos na representação dos efeitos do sobreadensamento, como a curvatura da envoltória de resistência no trecho sobreadensado, o aumento do módulo de deformabilidade com o grau de sobreadensamento, diferente rigidez no carregamento e no recarregamento, o aumento das tensões desviadoras de ruptura em solos sobreadensados, a diminuição da tendência à contração volumétrica com o aumento da razão de sobreadensamento, chegando à expansão volumétrica, e, nas solicitações não-drenadas, pressão neutra negativa quando o solo encontra-se fortemente sobreadensado. / Modifications in a hypoplastic model are proposed intending to represent the mechanical behavior of overconsolidated clays. The overconsolidation ratio, the cohesion intercept and indices that represent overconsolidation characteristics are introduced in the model, resulting in parameters with a clear physical meaning and of easy to determine. The constitutive equation is then calibrated with parameters of overconsolidated soils and the capacity of the models of representing the behavior of two soils in particular is checked, confronting the theoretical predictions with experimental results in several loading situations and in a wide overconsolidation ratio range. It is verified that the modifications introduced into hypoplastic model contemplates significant advances in the representation of the effects of overconsolidation, like the curvature of the strength envelope in the overconsolidation region, the increase of the deformability modulus with the overconsolitadion ratio, different stiffness in loading and reloading, the increase of the deviator stress at failure in overconsolidated soils, presenting peak deviator stress, a decrease of the tendency to volumetric contraction with the increase of the overconsolidation ratio, including to the volumetric expansion, and, in undrained tests, negative pore pressure when the soil is heavily overconsolidated.

São propostas modificações em um modelo hipoplástico buscando representar o comportamento mecânico de argilas sobreadensadas. São introduzidos no modelo a razão de sobreadensamento, o intercepto de coesão e índices que representam características do trecho sobreadensado, resultando em parâmetros com claro sentido físico e de fácil determinação. A equação constitutiva é então calibrada com parâmetros de solos sobreadensados e a capacidade dos modelos de representar o comportamento de dois solos em particular é verificada, confrontando as previsões teóricas com resultados experimentais em diversas situações de carregamento e para uma larga faixa de razões de sobreadensamento. Verifica-se que as modificações introduzidas no modelo hipoplástico contemplam avanços significativos na representação dos efeitos do sobreadensamento, como a curvatura da envoltória de resistência no trecho sobreadensado, o aumento do módulo de deformabilidade com o grau de sobreadensamento, diferente rigidez no carregamento e no recarregamento, o aumento das tensões desviadoras de ruptura em solos sobreadensados, a diminuição da tendência à contração volumétrica com o aumento da razão de sobreadensamento, chegando à expansão volumétrica, e, nas solicitações não-drenadas, pressão neutra negativa quando o solo encontra-se fortemente sobreadensado. / Modifications in a hypoplastic model are proposed intending to represent the mechanical behavior of overconsolidated clays. The overconsolidation ratio, the cohesion intercept and indices that represent overconsolidation characteristics are introduced in the model, resulting in parameters with a clear physical meaning and of easy to determine. The constitutive equation is then calibrated with parameters of overconsolidated soils and the capacity of the models of representing the behavior of two soils in particular is checked, confronting the theoretical predictions with experimental results in several loading situations and in a wide overconsolidation ratio range. It is verified that the modifications introduced into hypoplastic model contemplates significant advances in the representation of the effects of overconsolidation, like the curvature of the strength envelope in the overconsolidation region, the increase of the deformability modulus with the overconsolitadion ratio, different stiffness in loading and reloading, the increase of the deviator stress at failure in overconsolidated soils, presenting peak deviator stress, a decrease of the tendency to volumetric contraction with the increase of the overconsolidation ratio, including to the volumetric expansion, and, in undrained tests, negative pore pressure when the soil is heavily overconsolidated.

Esta pesquisa apresenta uma ampliação da investigação da capacidade de um modelo constitutivo hipoplástico de representar o comportamento tensão-deformação dos solos. Os modelos hipoplásticos apresentam características que os toram mais adequados, em muitas situações, a fornecer respostas mais realistas que os modelos baseados na elastoplasticidade clássica, que são os mais utilizados na prática da engenharia atual. O trabalho então consistiu da simulação, através de um equacionamento hipoplástico, de ensaios triaxiais drenados realizados em solos e trajetórias de tensão aos quais o modelo em estudo ainda não havia sido aplicado, tais como em corpos de prova adensados anisotropicamente e em trajetórias com decréscimos da tensão desviadora, bem como da comparação entre a resposta do modelo e os respectivos resultados desses ensaios. Em termos qualitativos, os resultados obtidos nesse confronto são bons em todas as situações estudadas. Quantitativamente, são bons na maioria das situações e razoavelmente bons em outras. / This research presents an extension of the investigation of the capacity of a hypoplastic constitutive model to represent the stress-strain behavior of soils. Hipoplastic models have characteristics that make them more suitable, in many situations, to provide more realistic answers than models based on classical elastoplasticity, which are most often used in engineering practice today. The work then consisted in the simulation, through a hypoplastic equation, of drained triaxial tests performed on soils and stress paths to which the model had not been applied yet, such as anisotropically consolidated specimens and paths with decreasing deviatoric stress as well as in the comparison between the response of the model and the results of those tests. The results obtained in this comparison are qualitatively good in all the situations studied. Quantitatively, they are good in most situations and reasonably in the others.

O grande número de modelos constitutivos existentes, apresentados com diferentes graus de clareza e generalidade, e a terminologia variada tornam a compreensão dessa área da Mecânica dos Solos tarefa difícil. Com o intuito de contribuir para a mudança dessa situação, foram escolhidas duas classes de modelos, os elastoplásticos e os hipoplásticos, para um estudo comparativo. O primeiro passo é elaborar uma teoria da Elastoplasticidade, na linha da moderna Mecânica do Contínuo, cujas principais características são: obediência ao princípio da objetividade material, a tensão como solução de equação diferencial hipoelástica e como resposta à deformação imposta, o emprego exclusivo de tensores definidos na configuração corrente,como parece adequado para solos. Mostra-se que esta Elastoplasticidade e a Hipolasticidade compartilham características fundamentais, mas tratam de modo muito distinto o fenômeno da irreversibilidade. O modelo Cam-Clay é reconstruído e generalizado com o auxílio das equações elastoplásticas propostas. Soluções analíticas são obtidas em trajetórias retilíneas de tensão. Na segunda parte deste trabalho é proposta uma nova equação hipoplástica, que envolve quatro constantes características do material, bem conhecidas na Mecânica dos Solos. Seu desempenho no confronto com resultados de diversos ensaios de laboratório com um solo siltoso (particularmente, ensaios triaxiais com diferentes trajetórias de tensão) e com as previsões do Cam-Clay está entre medianamente bom e bom. A inexistência do domínio elástico em Hipoplasticidade proporciona uma resposta mais realista que as do Cam-Clay (assim como de outros modelos elastoplásticos) nas trajetórias de tensão em que ocorre diminuição da tensão octaédrica. A equação é capaz de reproduzir fenômenos e características importantes do comportamento dos solos, como o estado crítico, a envoltória de resistência, o comportamento normalizado, o comportamento em deformações proporcionais, as mudanças de comportamento em diferentes trajetórias de tensão e deformação. A simplicidade da equação proposta permite uma análise de seu comportamento global que auxilia na sua compreensão e comparação com outros modelos. Os resultados principais são as soluções analíticas nas deformações proporcionais e um quadro sintético de respostas. / The great number of existing constitutive models, presented in different degrees of clarify and generality, and the varied terminology make the comprehension of this area of Soil Mechanics a difficult task. With the aim of contributing to change this situation two classes of models, hypoplastic and elastoplastic models, have been chosen for a comparative study. The first step is the development of a theory of Elastoplasticity in the lines of modern Continuum Mechanics, the main characteristics of which are obedience to the principle of material objectivity, the stress as the solution of a hypoelastic differential equation and as a response to an imposed deformation, the exclusive use of tensors defined at the current configuration as it seems suitable for soils. It is shown that this Elastoplasticity and Hypoplasticity share fundamental characteristics but treat irreversibility in quite different ways. The Cam-Clay model is reconstructed and generalized with the help of the proposed elastoplastic equations. Analytical solutions are obtained in straight stress paths. In the second part of this work a new hypoplastic equation is proposed involving four material constants which are well-known in Soil Mechanics. Its performance in the prediction of results of several laboratory tests on a silty soil (especially triaxial tests along different stress paths) and as compared to Cam-Clay predictions lies between fairly good and good. The inexistence of an elastic domain in Hypoplasticity allows a more realistic response than that of Cam-Clay (as well as of other elastoplastic models) in stress paths in which the octahedral stress is reduced. The equation is able to reproduce important soil characteristics and phenomena as critical states, strength envelope, normalized behavior in proportional deformations, changes in behavior in different stress or strain paths.The equation is simple enough to allow an analysis of its global behavior, helping the comprehension and the comparison with other models. Main results are analytical solutions in proportional deformations and a synthetic response portrait.

Cogliati, Belén. (2011). Modelos viscosos em mecânica dos solos: análise de uma equação visco-hipoplástica. Dissertação de Mestrado, Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo. Esta dissertação estuda o comportamento de um modelo visco-hipoplástico proposto por Niemunis (2002), com as funções constitutivas da equação hipoplástica de Nader (2003). Para entender o papel da viscosidade no comportamento do solo são discutidos o adensamento secundário, a influência da velocidade de deformação na resistência não-drenada e a variação do coeficiente de empuxo com o tempo. Como etapa preliminar, são apresentados os modelos reológicos simples em uma dimensão, formados por um só elemento (modelos de Hooke, Newton e Saint-Venant) e modelos compostos pela combinação desses elementos (modelos de Maxwell, Bingham, Kelvin- Voigt, sólido linear padrão e visco-plástico com endurecimento). São deduzidas as equações de fluência e relaxação para todos esses modelos. Em três dimensões, são apresentadas as formulações do modelo visco-hipoplástico de Niemunis (2002) com as funções constitutivas de Nader (2003). São deduzidas as expressões simplificadas desse modelo para ensaios triaxiais. Em seguida, as equações são aplicadas à simulação de ensaios de compressão isotrópica e compressão não-drenada, com o objetivo de investigar a relaxação e a fluência bem como para analisar a influência dos parâmetros na resposta do modelo. / This thesis studies the behavior of the visco-hypoplastic model proposed by Niemunis, using Nader\'s hypoplastic constitutive equations. To understand the importance of viscosity in soil behavior the following topics are first examined: secondary consolidation, strain rate effects on undrained strength and the time variation of the coefficient of lateral pressure at rest. As a preliminary step, the present work discusses one-dimensional rheological models formed by a single element (Hooke\'s, Newton\'s and Saint-Venant\'s models) or by the combination of these elements (Maxwell\'s, Bingham\'s, Kelvin-Voigt\'s models; the standard linear solid model and the visco-plastic hardening model). For all the rheological models creep and relaxation are investigated. Niemunis\' visco-hypoplastic model with Nader\'s constitutive equations is presented next. First, simplified expressions of this model for triaxial test are deduced. Then the equations are applied to the simulation of isotropic compression and undrainded compression tests, with the aim of investigating relaxation and creep as well as of analyzing the influence of each parameter on the model response.

O grande número de modelos constitutivos existentes, apresentados com diferentes graus de clareza e generalidade, e a terminologia variada tornam a compreensão dessa área da Mecânica dos Solos tarefa difícil. Com o intuito de contribuir para a mudança dessa situação, foram escolhidas duas classes de modelos, os elastoplásticos e os hipoplásticos, para um estudo comparativo. O primeiro passo é elaborar uma teoria da Elastoplasticidade, na linha da moderna Mecânica do Contínuo, cujas principais características são: obediência ao princípio da objetividade material, a tensão como solução de equação diferencial hipoelástica e como resposta à deformação imposta, o emprego exclusivo de tensores definidos na configuração corrente,como parece adequado para solos. Mostra-se que esta Elastoplasticidade e a Hipolasticidade compartilham características fundamentais, mas tratam de modo muito distinto o fenômeno da irreversibilidade. O modelo Cam-Clay é reconstruído e generalizado com o auxílio das equações elastoplásticas propostas. Soluções analíticas são obtidas em trajetórias retilíneas de tensão. Na segunda parte deste trabalho é proposta uma nova equação hipoplástica, que envolve quatro constantes características do material, bem conhecidas na Mecânica dos Solos. Seu desempenho no confronto com resultados de diversos ensaios de laboratório com um solo siltoso (particularmente, ensaios triaxiais com diferentes trajetórias de tensão) e com as previsões do Cam-Clay está entre medianamente bom e bom. A inexistência do domínio elástico em Hipoplasticidade proporciona uma resposta mais realista que as do Cam-Clay (assim como de outros modelos elastoplásticos) nas trajetórias de tensão em que ocorre diminuição da tensão octaédrica. A equação é capaz de reproduzir fenômenos e características importantes do comportamento dos solos, como o estado crítico, a envoltória de resistência, o comportamento normalizado, o comportamento em deformações proporcionais, as mudanças de comportamento em diferentes trajetórias de tensão e deformação. A simplicidade da equação proposta permite uma análise de seu comportamento global que auxilia na sua compreensão e comparação com outros modelos. Os resultados principais são as soluções analíticas nas deformações proporcionais e um quadro sintético de respostas. / The great number of existing constitutive models, presented in different degrees of clarify and generality, and the varied terminology make the comprehension of this area of Soil Mechanics a difficult task. With the aim of contributing to change this situation two classes of models, hypoplastic and elastoplastic models, have been chosen for a comparative study. The first step is the development of a theory of Elastoplasticity in the lines of modern Continuum Mechanics, the main characteristics of which are obedience to the principle of material objectivity, the stress as the solution of a hypoelastic differential equation and as a response to an imposed deformation, the exclusive use of tensors defined at the current configuration as it seems suitable for soils. It is shown that this Elastoplasticity and Hypoplasticity share fundamental characteristics but treat irreversibility in quite different ways. The Cam-Clay model is reconstructed and generalized with the help of the proposed elastoplastic equations. Analytical solutions are obtained in straight stress paths. In the second part of this work a new hypoplastic equation is proposed involving four material constants which are well-known in Soil Mechanics. Its performance in the prediction of results of several laboratory tests on a silty soil (especially triaxial tests along different stress paths) and as compared to Cam-Clay predictions lies between fairly good and good. The inexistence of an elastic domain in Hypoplasticity allows a more realistic response than that of Cam-Clay (as well as of other elastoplastic models) in stress paths in which the octahedral stress is reduced. The equation is able to reproduce important soil characteristics and phenomena as critical states, strength envelope, normalized behavior in proportional deformations, changes in behavior in different stress or strain paths.The equation is simple enough to allow an analysis of its global behavior, helping the comprehension and the comparison with other models. Main results are analytical solutions in proportional deformations and a synthetic response portrait.

Cogliati, Belén. (2011). Modelos viscosos em mecânica dos solos: análise de uma equação visco-hipoplástica. Dissertação de Mestrado, Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo. Esta dissertação estuda o comportamento de um modelo visco-hipoplástico proposto por Niemunis (2002), com as funções constitutivas da equação hipoplástica de Nader (2003). Para entender o papel da viscosidade no comportamento do solo são discutidos o adensamento secundário, a influência da velocidade de deformação na resistência não-drenada e a variação do coeficiente de empuxo com o tempo. Como etapa preliminar, são apresentados os modelos reológicos simples em uma dimensão, formados por um só elemento (modelos de Hooke, Newton e Saint-Venant) e modelos compostos pela combinação desses elementos (modelos de Maxwell, Bingham, Kelvin- Voigt, sólido linear padrão e visco-plástico com endurecimento). São deduzidas as equações de fluência e relaxação para todos esses modelos. Em três dimensões, são apresentadas as formulações do modelo visco-hipoplástico de Niemunis (2002) com as funções constitutivas de Nader (2003). São deduzidas as expressões simplificadas desse modelo para ensaios triaxiais. Em seguida, as equações são aplicadas à simulação de ensaios de compressão isotrópica e compressão não-drenada, com o objetivo de investigar a relaxação e a fluência bem como para analisar a influência dos parâmetros na resposta do modelo. / This thesis studies the behavior of the visco-hypoplastic model proposed by Niemunis, using Nader\'s hypoplastic constitutive equations. To understand the importance of viscosity in soil behavior the following topics are first examined: secondary consolidation, strain rate effects on undrained strength and the time variation of the coefficient of lateral pressure at rest. As a preliminary step, the present work discusses one-dimensional rheological models formed by a single element (Hooke\'s, Newton\'s and Saint-Venant\'s models) or by the combination of these elements (Maxwell\'s, Bingham\'s, Kelvin-Voigt\'s models; the standard linear solid model and the visco-plastic hardening model). For all the rheological models creep and relaxation are investigated. Niemunis\' visco-hypoplastic model with Nader\'s constitutive equations is presented next. First, simplified expressions of this model for triaxial test are deduced. Then the equations are applied to the simulation of isotropic compression and undrainded compression tests, with the aim of investigating relaxation and creep as well as of analyzing the influence of each parameter on the model response.