A maior parte das solicitações que ocorrem em campo, devidas a obras geotécnicas, está associada à rotação das tensões principais no interior do solo. Muitos equipamentos de ensaios de laboratório tentam simular estas condições, mas o único que possibilita o controle da magnitude e da direção das tensões principais é o equipamento hollow cylinder torsional. Sua utilização vem sendo cada vez mais freqüente em todo o mundo, pois é o equipamento de laboratório mais completo na simulação de condições de campo. Um equipamento hollow cylinder torsional foi projetado e construído na Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) como parte desta tese, visando a investigação do comportamento mecânico de materiais de pavimentação. O desenvolvimento deste equipamento incluiu seu projeto, usinagem de peças, aquisição de componentes, montagem e ensaios de calibração. Sua concepção e fundamentação teórica foram baseadas em trabalhos pioneiros sobre ensaios hollow cylinder torsional realizados no Imperial College da Universidade de Londres, nos anos 80, e na Universidade de Nottingham, nos anos 90. O material empregado no programa experimental desta tese é um solo residual de arenito Botucatu compactado. Além dos ensaios convencionais para caracterização do material, foram realizados ensaios triaxiais de carga repetida, para determinação dos módulos de resiliência e das deformações permanentes deste solo, na modalidade multi-estágio. No equipamento hollow cylinder torsional foram realizados ensaios com carga estática e rotação do plano de tensões principais e ensaios com carga cíclica, com e sem rotação do plano de tensões principais. Os ensaios de carga cíclica para avaliar as deformações permanentes apresentaram boa resposta quando comparados aos ensaios triaxiais e mostraram que a deformação permanente axial aumenta quando é aplicada a rotação no plano de tensões principais. A aplicação de torque no corpo de prova neste tipo de ensaio, mesmo quando realizada na modalidade não cíclica, apresenta uma aproximação mais real do comportamento de campo que os ensaios triaxiais de carga repetida convencionais. Além da montagem do equipamento hollow cylinder torsional, um dos objetivos desta tese foi validar este equipamento, o qual pode ser considerado apto ao funcionamento. A disponibilidade deste equipamento abre um amplo horizonte para pesquisas futuras, na Universidade Federal do Rio Grande do Sul, sobre o comportamento geotécnico de solos submetidos às mais variadas solicitações. / Most of in situ solicitations due to geotechnical works is associated to soils principal stresses rotation. Several laboratory equipments try to simulate principal stresses rotation, but only the hollow cylinder torsional apparatus allows controlling the magnitude and directions of principal stresses in soils. This equipment, which is the most complete available to simulate in situ stresses states, is becoming more and more used all over the world. As a part of this PhD thesis, a hollow cylinder torsional apparatus was designed and assembled at the Federal University of Rio Grande do Sul, Brazil, with the purpose of studying the mechanical behavior of paving materials. The hollow cylinder torsional apparatus included its design, the production and assemblage of pieces, as well as calibration tests. The equipment conception and theoretical fundaments were based in former works carried out at the Imperial College of Science and Technology at London, in the years 1980, and at the University of Nottingham, in de following decade. The material used for testing was a sandstone residual soil. Besides conventional geotechnical characterization, multistage triaxial repeated loading tests were carried out to obtain resilient modulus models and permanent deformation characteristics. The hollow cylinder torsional apparatus tested compacted specimens under static and repeated loading, applying principal stresses rotation. Repeated loading tests for evaluating permanent deformations were successfully carried out, confirming the increase of axial permanent deformation due to principal stress rotation. The torsion applied to the specimen in this type of test, even under static loading, better simulates in situ conditions than conventional repeated loading tests. Besides the design and assemblage of the hollow cylinder torsional apparatus the experimental work carried out for this thesis, allowed overcoming difficulties that appear when a complex device is firstly put into operation. The availability of such equipment at the Federal University of Rio Grande do Sul broadens the horizon of researches that will be carried out in future days on the geotechnical behavior of soils submitted to various stress states.

No Brasil é comum a ocorrência de solos residuais colapsíveis naturais em condições não saturadas. A presente pesquisa visa ampliar o banco de dados referente aos parâmetros que os caracterizam e permitir uma correta interpretação do comportamento e dos fatores que influenciam sua resistência. Para tanto, foi necessário o desenvolvimento de uma técnica de preparo de amostras que possibilitasse a obtenção, em laboratório, de amostras com elevado índice de vazios e com diferentes níveis de cimentação. A técnica foi desenvolvida objetivando: (a) evitar as dificuldades de retirada de amostras indeformadas, e dos possíveis efeitos sobre a estrutura e (b) ensaiar materiais com diferentes índices de vazios. Após um longo e criterioso processo de avaliação, optou-se pelo uso de uma mistura de solo com cimento acrescido de partículas de poliestireno expandido, selecionado devido a suas características de baixa densidade, pequena resistência mecânica, leveza e trabalhabilidade. Foram realizados ensaios para verificação das características e reprodutibilidade das amostras obtidas pela técnica, ensaios de compressão simples para vários tempos de cura, ensaios de condutividade hidráulica para diferentes tamanhos de poros e homogeneidade das amostras. A técnica inovadora demonstrouse, a partir dos resultados dos ensaios, satisfatória do ponto de vista da reprodutibilidade, homogeneidade, resistência e permeabilidade das amostras obtidas. O estudo seguiu com a realização de um amplo programa experimental, constituído de: ensaios de cisalhamento direto, ensaios edométricos convencionais e com controle de sucção, medidas de sucção pela técnica do papel filtro e construção da curva característica do material. A partir dos resultados dos ensaios de laboratório pôde-se construir as envoltórias de resistência das configurações estudadas, verificou-se o potencial de colapso das mesmas, obteve-se as deformações por carregamento vertical e por inundação, construiu-se a linha de Estado Crítico do material, obteve-se a linha Virgem de Compressão e a linha de Variação da Sucção. Este estudo permitiu identificar as parcelas que influenciam o fenômeno de colapso, concluindo-se que este é influenciado pelo índice de vazios, agente cimentante e nível de sucção. / In Brazil it is usual to find natural collapsible residual soils in unsaturated conditions. The present work aims at producing a database in which the parameters of collapsible soils are reported. This procedure will support a correct interpretation of the behaviour of those materials and will help on identifying the factors that control their shear strength. To accomplish that it was necessary to develop a technique of sample preparation which allows laboratory specimens with high voids ratio and various degrees of cementation to be prepared. The technique was developed to (a) avoid the difficulty of taking off undisturbed samples and its inevitable effect in soil structure and (b) to test materials with different voids ratio. After a long and criterious evaluation process, a soil mixture with expanded polystyrene particles added to the cement was chosen, that leads to low density and low mechanic strength, lightness and good workability. Tests were performed to verify the characteristics and reproducibility of samples obtained by the technique developed in this work, which comprises simple compression tests with different particles sizes and sample homogeneity. The results showed that the new technique was promising in terms of reprodubility, homogeneity, strength and permeability. In addition to this, an extensive experimental programme was carried out comprising direct shear tests, oedometer tests with and without suction control, laboratory suction measurements and suction test to derive the characteristic curve. From the results it was possible to construct the shear strength envelope of the studied configuration, to verify the potential collapse of the soil, to evaluate the deformation produced by vertical loading and wetting, to determine the position of the critical state line and to obtain the compression virgin line. This study allowed to identifying the factors that control the collapse phenomena – it is concluded that collapsibility is a function of void ratio, cement agent and suction level.

Este trabalho teve o intuito de avaliar os efeitos da inclusão de fibras poliméricas de diferentes propriedades mecânicas, distribuídas aleatoriamente, sob condições de carregamento estático e dinâmico, sobre as propriedades de resistência e deformabilidade em um solo residual artificialmente cimentado. Para atingir o objetivo foram realizados ensaios de compressão não-confinada, compressão diametral, módulo de resiliência, retração, resistência à tração na flexão, fadiga e de resistência à compressão triaxial drenados. Utilizou-se um solo residual de arenito, cimento Portland de alta resistência inicial e dois tipos de fibras de polipropileno com características físicas diferentes, sendo a primeira (tipo I) em forma de filamentos e a segunda (tipo II) fibrilada, ou tipo mesh, formada por pequenos filamentos unidos. As amostras cimentadas foram moldadas com 3,5 e 7,0% de cimento em relação ao peso de solo seco. As fibras de polipropileno utilizadas possuíam 12 e 36 mm de comprimento, adicionadas na proporção de 0,25, 0,50 e 0,75% em relação ao peso seco da mistura de solo-cimento. Análises de regressão múltipla e variança permitiram uma visualização mais clara dos resultados experimentais e pode-se chegar aos seguintes conclusões: (1) ambas as fibras aumentam a ductilidade e a tenacidade do compósito; (2) fibras de caráter extensivo, as do tipo I, são mais efetivas na melhoria das características de pós-ruptura do compósito; (3) as do tipo II, que apresentaram caráter inextensível, são mais efetivas na redução da deformabilidade e no aumento de resistência de pico; (4) o efeito da inclusão das fibras é mais evidente para comprimentos maiores. Utilizando-se dos valores de módulos encontrados e das respectivas relações de fadiga, foram dimensionadas 48 estruturas de pavimento semi-rígido variando-se os parâmetros de tráfego e módulo do subleito e, para tanto, foi utilizado o software ELSYM5 – “Elastic Layered System”. Os resultados indicaram uma significativa redução na espessura da camada cimentada quando se utilizam reforços fibrosos do tipo I. / Unconfined compression, splitting tension, resilient modulus, linear shrinkage, flexural strength, fatigue and drained triaxial compression tests with local measurements of strain were carried out to evaluate the effects of randomly distributed polymeric fibers inclusion, on the strength and deformability properties of a soil-cement matrix. Searching such aims, a sandy soil was mixed with a rapid- hardening Portland cement and two kinds of polypropylene fibers with different physical and mechanical features. The first kind of fiber (type I) is formed by little filaments and the second type (II) has the format of a mesh. The cemented samples had 3,5 and 7,0% cement content in relation to the weight of dry soil. Fibers 12 and 36 mm long were used, added in the mixture with 0,25, 0,50 and 0,75% in relation to the weight of the soil-cement mixture. Multiple regression approach was carried out to allow a more reliable interpretation of the tests results: (1) both fibers increase the ductibility and the tenacity of the composite; (2) extensible fibers (type I), are more effective in the improvement of the ultimate strength characteristics of the composite; (3) the type II fibers, which are less extensive, are more effective in the reduction of the deformability, increasing peak strength; (4) the effect of the inclusion of fibers is more evident for longer fiber lengths. Using the values of resilient modulus and the respective fatigue relation, 48 structures of semi-rigid pavement were designed, changing the parameters of traffic and subgrade modulus. Software ELSYM5 - " Elastic Layered System " was used in such analysis. Results indicated a reduction in the thickness of the cemented layer when type I fibers are employed.

Este trabalho apresenta os resultados de ensaios geotécnicos de laboratório e de campo realizados em um solo residual da Formação Rosário do Sul nas localidades de Triunfo, Montenegro e Canoas, no Complexo Industrial denominado de III9 Polo Petroquímico. Além disso, contem uma análise estatística e correlações entre os ensaios de laboratório e de campo. Foram analisados ensaios de caracterização, adensamento, triaxiais, compactação, sondagens a percussão com circulação d'água com ensaio de penetração dinâmica, sondagens mistas, ensaios de penetração estática e ensaios pressiométricos. A análise demonstrou que este solo e constituído predominantemente por material de granulação fina - argila e silte - com variadas proporções de areia fina, apresenta grande heterogeneidade, ora com alta plasticidade, ora com baixa plasticidade, as camadas tem consistência média a mole com níveis de elevada resistência. A composição mineralógica compreende essencialmente quartzo, feldspatos e argila minerais, com pequenas quantidades de minerais pesados. Localmente a presença de argilas expansivas impede a sua utilização como material de aterro. As fundações recomendadas para este solo são as estacas. Diagramas de controle de qualidade foram usados para determinar medições dentro de um intervalo de variabilidade aceitável: média geral mais ou menos três desvios padrão. Após a constatação da distribuição normal dos dados analisados, intervalos de confiança a 95% de probabilidade foram obtidos para todos os parâmetros. Métodos de regressão linear simples e múltipla foram usados avaliando-se o significado estatístico dos coefientes correspondentes. / This work presents the results of field and laboratory geotechnical tests performed on residual soils of the Rosário do Sul Formation from an area coveriring the municipalities of - Triunfo, Montenegro and Canoas, where the socalled Third Polo Petrochemical Industrial Complex is located. Statistical methods were used to estimate parameters by means of confidence intervals and to evaluate relations by means of regression analysis using field and laboratory data. The following tests were analysed: caracterization, consolidation, triaxial, compaction, standard penetration, mixed soundings, cone penetration and pressure meter. The analysis shows that this soil 1s made up primarily of fine granulometric components, clay and silt with proportions of fine sand and quite heterogenous, being either of low or high plasticity. The consistency of the layers vary from medium to soft, with high resistance levels. The mineralogical components of this soil are essentially quartz, feldspar and clay minerals with a small quantity of heavy minerals. Locally the presence of expansive clays impeds its use as a filling material. The use of pile foundation is recomended for this type of soil. Quality control diagrams were used to detect measurements that were outside the acceptable interval of variability: overall mean plus or minus three standard deviations. After being satisfied that the normal distribution applies, 95% confidence interval estimates were obtained for all the parameters, linear a•n d multiple regression methods were used and the statistical significance of the corresponding coefficients were evaluated.

A melhoria das características mecânicas de solos naturais constitui uma técnica de crescente utilização na engenharia geotécnica, em especial na execução de fundações sobre solos moles . Algumas soluções passam pela utilização de materiais geotécnicos cimentados , tais como o solo-cimento, o solo-cal, etc. Estas aplicações, no entanto, requerem o conhecimento das características de deformação e de resistência dos materiais utilizados. No presente trabalho, a partir de um programa experimental que incluiu ensaios de resistência à compressão simples, ensaios triaxiais drenados (CID) com medição interna de deformações axiais, e microscopia eletrõnica de varredura, um solo arenoso artificialmente cimentado teve seu comportamento mecânico investigado, frente à variação do grau de cimentação (0, 1, 3 e 5% de adição de cimento Portland) e da tensão efetiva média inicial (p;' = 20, 60 e Os resultados mostraram que o comportamento do solo cimentado foi i nfluenciado por ambas as variáveis investigadas . No entanto, para a faixa de tensões efetivas estudada, o comportamento foi basicamente comandado pelo grau de cimentação. Visando a aplicação do material investigado em. projetos geotécnicos, uma abordagem é proposta para a determinação da resistência ao cisalhamento drenada e do módulo de deformação estática. A inclusão na análise de outros resultados encontrados na literatura permitiram ampliar alguns aspectos desta abordagem. / The improvement of natural soils characteristics is a largely used process in geotechnical engineeringf specially in foundation designs on soft grounds. Sometimesf cemented materialsf l ike soilcement and soil-lime admixtures f are employed. These applications require the knowledge of the strain and strength characteristics of materials . In this work an experimental programme was carried out to investigate the mechanical behavior of an artificially cemented sandy soilf which includes unconfined compression tests f drained triaxial compression tests (CID) with local measurements of axial strains f and scanning electron microscopy analysis. The influence of cementation level (O f l f 3 and 5% Portland cement content) and ini tial mean effecti ve stress ( p;' = 20 f 60 and 100 kN/m2 ) were evaluated . Test results have demonstrated t hat the cemented soil behavior was significantly affected by bothf cementation level and i nitial mean effective stress . However f for the range of eff ect ive stresses investigated herein f soil behavi or was mainly controlled by cementation level . Finally f to allow the application of t he investigated material into geotechnical worksf an approach is proposed to determinate the drained shear strength and the static deformati on moduli of the cemented soil. Data from other investigation programmes were incorporated to the present study to allow generalization of some aspects of the proposed approach.

Este trabalho analisou o comportamento hidráulico e mecânico de novos materiais geotécnicos compósitos, tentando adequar suas características à utilização em barreiras horizontais impermeáveis, dando ênfase para liners de cobertura. A melhoria das propriedades das matrizes estudadas, que resultaram em novos materiais compósitos, foi avaliada através da adição de bentonita e fibras. O estudo consistiu em duas etapas: a avaliação do comportamento hidráulico e do comportamento mecânico dos compósitos. Na primeira etapa foram realizados ensaios de condutividade hidráulica em permeâmetro de parede flexível com carga constante, em amostras compactadas de solo residual de arenito Botucatu, cinza de fundo, areia e caulim, com adições de bentonita e fibras de polipropileno de 24mm. Dentre os materiais estudados, a cinza de fundo foi a única matriz que, mesmo com a adição de 18% de bentonita, não alcançou uma condutividade hidráulica inferior a 1x10-7m/s, exigida para liners de cobertura. Além disso, com o intuito de avaliar o efeito da inclusão da bentonita e da morfologia das partículas na condutividade hidráulica das misturas, principalmente para a cinza de fundo, foi feita uma análise fotomicrográfica do material em microscópio petrográfico Na segunda etapa do trabalho foi estudado o comportamento mecânico dos compósitos através de ensaios triaxiais de compressão isotrópica, ensaios triaxiais CID e CIU com trajetórias de tensão convencionais e especiais, bem como através de ensaios ring shear. Foi verificado que a adição de fibras aumenta os parâmetros de resistência ao cisalhamento (c, φ) e a resistência ao cisalhamento pós-pico dos compósitos, principalmente a baixas tensões efetivas médias iniciais e após grandes deformações. A análise conjunta dos resultados de condutividade hidráulica e do comportamento mecânico dos compósitos indica a existência de uma grande gama de materiais compósitos que podem ser utilizados como liners de cobertura: liners de areia com bentonita e areia com bentonita e fibras; liners de SRAB e SRAB com fibras e liners de caulim e caulim com fibras, sendo que o último pode ser utilizado também para resíduos perigosos ou em liners de fundo.

Esta pesquisa visa o estudo de características físicas e mecânicas de solos subtropicais, para aplicação na construção de habitações de baixo custo, abordando-se principalmente a técnica de construção com paredes monolíticas compactadas. A opçao pelo estudo do solo, realizado sem a adição de estabilizantes fisico-químicos, baseia-se no fato de que a mesma nem sempre é necessária, embora seja vital em alguns casos. Através da revisão de literatura, são ressaltadas as propriedades dos solos consideradas importantes para construção deste tipo de moradia, bem como os fatores envolvidos na durabilidade da mesma. Foi realizado o estudo de jazidas de solos, pertencentes a algumas das unidades geotécnicas da região metropolitana de Porto Alegre, levando-se sempre em conta este tipo de aplicação. Para tanto, são realizados ensaios laboratoriais de caracterização física dos solos, bem como de comportamento mecânico, testando-se resistência à compressão simples e à erosão, e absorção por capilaridade. Além disso, é feita a análise qualitativa da durabilidade de blocos compactados frente a exposição ao tempo. Estes blocos visam simular a condição de pequenos segmentos de paredes. Os resultados obtidos são analisados e comparados com as recomendações da prática deste tipo de construção, avaliando-se a validade das mesmas para o caso de solos tropicais e subtropicais / The aim of this work is present the physical and mechanical properties of tropical soils when used as earth rammed walls in low cost houses constructions. According to the literature rewiew the normal techiques construction did not use stabilizing procedures to the soil materiais and this was assumed for this work. The soils properties and the durability aspects of earth walls building are discussed. The soils studied were colected in some area of Porto Alegre town. Laboratory tests for determining physical and mechanical properties of soil were performed. There were obtained results from compressive strength, capilarity absorption and erosian resistente. Rammed blocks reproducing walls pieces were constructed and subjected to weather conditions. It was observed the prototypes performance. The results were analysed and compared with pratical recommendations. It was discussed the aplicability of this recommendations for tropical soil case.

As fundações empregadas para linhas de transmissão de alta tensão em depósitos de argilas moles saturadas são geralmente estacas. No Rio Grande do Sul, projetos alternativos com fundações superficiais foram empregados em forma experimental para torres de suspensão, as quais apresentaram bom desempenho com menor custo. Esta pesquisa visa apontar critérios racionais da mecânica dos solos que permitam projetar, a partir do conhecimento do perfil de resistência não drenada, fundações superficiais em depósitos de argilas moles saturadas com maior confiabilidade. Para a determinaçao do perfil de resistência não drenada foi desenvolvido um cone manual com leituras elétricas, o qual foi testado apresentando bons resultados. A vantagem do uso deste equipamento reside no fato de que pode ser transportado manualmente a locais de difícil acesso, onde são implantadas as torres de alta tensão. Os demais parâmetros de solos do local de estudo, situado no município de Canoas no Rio Grande do Sul, foram obtidos a partir de ensaios de compressão triaxial do tipo adensado isotropicamente não drenado (CIU) com medida de poro pressão e de ensaios de adensamento. Foram analisadas as fundações superficiais das torres de suspensão projetadas, empregando teorias analíticas convencionais, baseadas no conhecimento da resistência não drenada, e o método de elementos finitos. A partir deste estudo, é sugerida uma metodologia para projetos de fundações superficiais de torres de suspensão em argilas moles saturadas. / Piles are generally used as foundations of power transmission lines in saturated soft clays. Shallow foundations for suspension towers have been experimentally used as an alternative in Rio Grande do Sul State. Satisfactory results at lower costs were achieved. This research attempts to indicate, knowing the undrained shear strength profile, rational soil mechanics criteria for more reliable design of footings in saturated soft clays. In arder to determinate the undrained shear strength profile, a hand electrical cone was developed. This device was tested with good results and presents the advantage of being easily carried to difficult access sites where the towers are installed. A site located in Canoas (Rio Grande do Sul State) was studied. Besides undrained shear strength other parameters were obtained from triaxial compression tests of the CIU type, with pore pressure measurement, and also consolidation tests. Shallow foundations of suspension towers were analyzed using tradtional analytical theories, based in undrained shear strength, and the finite element method. As a result of the research a method is suggested for the design of shallow foundations suspension tower on saturated soft clays.

O presente trabalho descreve o desenvolvimento de um equipamento de ensaios triaxiais, com aquisição automática de dados e controle automático de trajetórias de tensões, e resultados de ensaios utilizando este equipamento. Medidores locais de deformaçòes axial e radial foram utilizados viabilizando a análise do comportamento de solos a baixos níveis de deformações. O equipamento foi construído com componentes já existentes e elementos de baixo custo. Um programa de controle foi desenvolvido para controlar tanto trajetórias lineares de tensões como a trajetória de deformação radial nula. O sistema foi desenvolvido visando o estudo de solos tropicais cimentados, tendo sido utilizado na execução de ensaios triaxiais em um solo residual regional de arenito - arenito Botucatu. Os resultados evidenciam a adequabilidade do sistema construído ao estudo proposto tornando possível a determinação de importantes características de comportamento deste solo. / The present work describes the developmentof an equipment for triaxial tests and some test results carried put on it. The equipment has automatic data acquisition and servo-control. Local asial and radial strain transducers were used allowing analysis of soil behaviour at low level of strains. The equipment was built with pre-existent triaxial elements and some other low cost cornponents. A software was developed to control linear stress paths as well as the null radial strain stress path. The whole system was built to study structured residual soils and has been used to test a sandstone residual soil - Botucatu sandstone. The results have shown a good performance of the system making possible the determinat ion of important mechanical characteristics of the soil.

Os solos residuais tropicais são solos que tem sido objeto de pesquisa devido às suas peculiaridades em relação aos solos sedimentares. Estes solos sofrem alterações de suas características devido às condições geológicas nas quais são formados e em consequência apresentam uma composição mineralógica diferenciada. O presente trabalho apresenta um estudo sobre o comportamento mecânico de três solos residuais tropicais pertencentes a jazidas do Estado da Paraíba, no nordeste do Brasil O comportamento mecânico foi avaliado em termos de resistência ao cisalhamento e compressibilidade na condição compactada (não saturada) e após foi realizada uma análise conjunta de tais propriedades com as características químicas e mineralógicas dos solos. O programa experimental constou de ensaios edométricos e ensaios de cisalhamento direto nas condições saturadas e não saturadas. Este trabalho apresenta ainda uma análise dos vazios existentes nas várias condições de compactação, através da técnica de porosimetria por intrusão de mercúrio e microscopia ótica. Os resultados mostraram que o comportamento mecânico não saturado recebe a influência da densidade e do teor de umidade inicial de compactação, bem como da composição química-mineralógica e do tipo de poro presente na estrutura. Foi verificada a influência da sucção nos parâmetros de resistência ao cisalhamento não saturados e nas características de compressibilidade.