Vertical inclusions of expanded polystyrene (EPS) placed behind rigid retaining walls were investigated as geofoam seismic buffers to reduce earthquake-induced loads. A numerical model was developed using the program FLAC and the model validated against 1-g shaking table test results of EPS geofoam seismic buffer models. Two constitutive models for the component materials were examined: elastic-perfectly plastic with Mohr-Coulomb (M-C) failure criterion and non-linear hysteresis damping model with equivalent linear method (ELM) approach. It was judged that the M-C model was sufficiently accurate for practical purposes. The mechanical property of interest to attenuate dynamic loads using a seismic buffer was the buffer stiffness defined as K = E/t (E = buffer elastic modulus, t = buffer thickness). For the range of parameters investigated in this study, K ≤ 50 MN/m3 was observed to be the practical range for the optimal design of these systems. Parametric numerical analyses were performed to generate design charts that can be used for the preliminary design of these systems. A new high capacity shaking table facility was constructed at RMC that can be used to study the seismic performance of earth structures. Reduced-scale models of geosynthetic reinforced soil (GRS) walls were built on this shaking table and then subjected to simulated earthquake loading conditions. In some shaking table tests, combined use of EPS geofoam and horizontal geosynthetic reinforcement layers was investigated. Numerical models were developed using program FLAC together with ELM and M-C constitutive models. Physical and numerical results were compared against predicted values using analysis methods found in the journal literature and in current North American design guidelines. The comparison shows that current Mononobe-Okabe (M-O) based analysis methods could not consistently satisfactorily predict measured reinforcement connection load distributions at all elevations under both static and dynamic loading conditions. The results from GRS model wall tests with combined EPS geofoam and geosynthetic reinforcement layers show that the inclusion of a EPS geofoam layer behind the GRS wall face can reduce earth loads acting on the wall facing to values well below those recorded for conventional GRS wall model configurations. / Thesis (Ph.D, Civil Engineering) -- Queen's University, 2011-04-28 16:56:57.084

Os ensaios em solos sob altas pressões tiveram seu interesse renovado nos últimos anos em parte devido a trabalhos que anseiam por uma investigação mais profunda da mecânica dos solos fundamental a altas pressões para aplicação de modelos constitutivos em solos granulares. Para desenvolvimento desses modelos é necessária uma completa compreensão do comportamento volumétrico dos solos, assim como a aplicação da teoria do estado crítico aos mesmos, o que requer ensaios em níveis de tensões que são ordens de magnitude maiores que os aplicados na maioria das estruturas de engenharia no caso de solos arenosos. Este trabalho estudou o comportamento mecânico de materiais compósitos constituídos a partir da utilização de um solo arenoso, cimento Portland CP-V e fibras de polipropileno sob altas pressões. O solo utilizado foi uma areia fina de granulometria uniforme extraída de uma jazida localizada no município de Osório - RS. Ensaios de compressão isotrópica sob altas pressões foram realizados em amostras de areia, areia-fibra, areia-cimento e areia-cimentofibra, em uma variedade de volumes específicos iniciais. Os resultados indicaram mudanças no comportamento do material não reforçado devido à inclusão de fibras e/ou cimento. Foram observadas linhas de compressão normal distintas e paralelas para cada mistura. Os comprimentos das fibras, medidos após a aplicação de altas tensões, mostraram que algumas fibras sofreram quebra e outras extensão, indicando que as fibras trabalham em compressão isotrópica. Um aumento do modulo volumétrico devido à presença de ambos: fibras e cimento foi observado. Uma redução na quebra das partículas devido à presença de fibras também foi observada. Para o estudo do estado crítico, ensaios triaxiais isotropicamente consolidados drenados levados a deformações cisalhantes de até 40% foram realizados. As envoltórias de estado crítico dos materiais reforçados no plano p': q apresentaram-se bi-lineares. As linhas de estado crítico no plano v:lnp' para a areia com e sem reforço mostraram-se inicialmente distintas e curvilíneas certo nível de tensões, a partir do qual convergiram para uma única LEC. O material cimentado apresentou o mesmo comportamento do material não cimentado no estado crítico, assim como o material cimentado reforçado em relação ao solo reforçado sem cimentação. Mesmo a tensões confinantes baixas as fibras apresentaram alongamento e ruptura para o nível de deformações cisalhantes atingidas. O aumento da tensão de confinamento ocasionou progressiva ruptura das fibras e a perda gradual da sua atuação benéfica sobre o comportamento do solo. A cimentação pode aumentar a eficiência deste sistema melhorando o ancoramento das fibras, permitindo que as fibras atuem mais efetivamente na matriz, ao menos para as tensões mais baixas. / Nowadays the interest in soil testing under high stresses has been renewed dueto the greater depths reached by foundation structures as well as the need of a better understanding of fundamental soil behaviour and its application in soil models for granular materiais. To develop these models it is necessary a complete understanding of the volumetric behaviour of soils and the application of Critical State theory, which for granular materiais require triaxial tests at stresses much higher than those typical on the majority of the engineering structures. This work studied the mechanical behaviour of composite materiais, using sand, Portland cement CP-V and polypropylene fibres, under high stresses. The soil used in this study is an uniform fine sand extracted from a quarry in Osório - RS. High stress isotropic triaxial tests were undertaken in samples of sand, sand-fibre, sand-cement and sand-cement-fibre in a variety of initial specific volumes. Comparison between the test results indicated changes on the behaviour of the un-reinforced material due to the inclusion of fibres and/or cement. Distinct and parallel normal compression lines were observed for every mixture. The fibre lengths, measured after high pressure application, have shown that some fibres suffered an elongation and others were broken, indicating that fibres work in tension under isotropic compression. An increase in bulk modulus was observed in the presence of both: fibres and cement. Reduced amounts of particle breakage were also found in the mixtures containing fibres. To better determine critical state the samples were sheared up to 40% of shear deformation after the isotropic consolidation took place. The critical state envelopes of the reinforced materials, in the stress space p': q, have shown a bi-linear behaviour. The critical state line in the space v:lnp' for the sand and reinforced sand was distinct and curved and converged to a stress threshold, becoming linear and unique. On the critical state the cemented material have shown the same behaviour as the uncemented soil. The same happened to the cemented reinforced material related to the reinforced soil. It can be seen that even at small stresses the fibres present elongation and rupture after reaching high strains. The increase in confining stress led to a progressive rupture ofthe fibres anda gradual loss of the benefit of having fibres mixed in the soil. Cementation can increase the efficiency of the system, improving the bonding between fibres and soil particles, this allow the fibres to be more effective in the soil matrix, at least at low stress levels.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de uma técnica construtiva inédita para dutos enterrados intitulada Geovala. Esta técnica consiste na instalação de um geossintético sobre uma vala, preenchida ou não com material fofo, localizado acima do duto com o principal objetivo de reduzir os esforços que atingem a estrutura. Para contribuir na avaliação do sistema proposto foi realizado um programa de ensaios em pequenas e grandes dimensões no laboratório de geossintéticos da Escola de Engenharia de São Carlos EESC/USP. Neste programa de ensaios foi possível verificar que o sistema Geovala pode reduzir drasticamente as tensões na parede do duto e na envoltória de solo ao redor do duto. Além disso, um método analítico foi proposto para prever os deslocamentos verticais, deformações e esforços de tração gerados no geotêxtil, durante o rocesso construtivo e sobrecarga. Finalmente, verificou-se que os deslocamentos do geotêxtil previstos pelo método foram similares aos deslocamentos registrados nos ensaios experimentais. / This thesis presents the development of an unpublished constructive technique for buried pipes entitled Geovala. This technique comprises of the installation of a geosynthetic over a trench, filled or not with soft material, located above the pipe with the main objective of reducing the loads on the structure. To evaluate the proposed technique small and large scale testing programs were carried out at the laboratory of geosynthetics of the School of Engineering at Sao Carlos EESC/USP. In this testing program it was possible to verify that the Geovala system can reduce drastically the loads on the walls of the pipe and in the surrounding soil. Besides, an analytical method was proposed to predict the vertical displacement, deformations and tensile stress on the geosynthetic, during the constructive process and surcharge. Finally, it was verified that the displacements of the geotextile predicted by the analytical method were similar to the displacements recorded in the experimental tests.

Os ensaios em solos sob altas pressões tiveram seu interesse renovado nos últimos anos em parte devido a trabalhos que anseiam por uma investigação mais profunda da mecânica dos solos fundamental a altas pressões para aplicação de modelos constitutivos em solos granulares. Para desenvolvimento desses modelos é necessária uma completa compreensão do comportamento volumétrico dos solos, assim como a aplicação da teoria do estado crítico aos mesmos, o que requer ensaios em níveis de tensões que são ordens de magnitude maiores que os aplicados na maioria das estruturas de engenharia no caso de solos arenosos. Este trabalho estudou o comportamento mecânico de materiais compósitos constituídos a partir da utilização de um solo arenoso, cimento Portland CP-V e fibras de polipropileno sob altas pressões. O solo utilizado foi uma areia fina de granulometria uniforme extraída de uma jazida localizada no município de Osório - RS. Ensaios de compressão isotrópica sob altas pressões foram realizados em amostras de areia, areia-fibra, areia-cimento e areia-cimentofibra, em uma variedade de volumes específicos iniciais. Os resultados indicaram mudanças no comportamento do material não reforçado devido à inclusão de fibras e/ou cimento. Foram observadas linhas de compressão normal distintas e paralelas para cada mistura. Os comprimentos das fibras, medidos após a aplicação de altas tensões, mostraram que algumas fibras sofreram quebra e outras extensão, indicando que as fibras trabalham em compressão isotrópica. Um aumento do modulo volumétrico devido à presença de ambos: fibras e cimento foi observado. Uma redução na quebra das partículas devido à presença de fibras também foi observada. Para o estudo do estado crítico, ensaios triaxiais isotropicamente consolidados drenados levados a deformações cisalhantes de até 40% foram realizados. As envoltórias de estado crítico dos materiais reforçados no plano p': q apresentaram-se bi-lineares. As linhas de estado crítico no plano v:lnp' para a areia com e sem reforço mostraram-se inicialmente distintas e curvilíneas certo nível de tensões, a partir do qual convergiram para uma única LEC. O material cimentado apresentou o mesmo comportamento do material não cimentado no estado crítico, assim como o material cimentado reforçado em relação ao solo reforçado sem cimentação. Mesmo a tensões confinantes baixas as fibras apresentaram alongamento e ruptura para o nível de deformações cisalhantes atingidas. O aumento da tensão de confinamento ocasionou progressiva ruptura das fibras e a perda gradual da sua atuação benéfica sobre o comportamento do solo. A cimentação pode aumentar a eficiência deste sistema melhorando o ancoramento das fibras, permitindo que as fibras atuem mais efetivamente na matriz, ao menos para as tensões mais baixas. / Nowadays the interest in soil testing under high stresses has been renewed dueto the greater depths reached by foundation structures as well as the need of a better understanding of fundamental soil behaviour and its application in soil models for granular materiais. To develop these models it is necessary a complete understanding of the volumetric behaviour of soils and the application of Critical State theory, which for granular materiais require triaxial tests at stresses much higher than those typical on the majority of the engineering structures. This work studied the mechanical behaviour of composite materiais, using sand, Portland cement CP-V and polypropylene fibres, under high stresses. The soil used in this study is an uniform fine sand extracted from a quarry in Osório - RS. High stress isotropic triaxial tests were undertaken in samples of sand, sand-fibre, sand-cement and sand-cement-fibre in a variety of initial specific volumes. Comparison between the test results indicated changes on the behaviour of the un-reinforced material due to the inclusion of fibres and/or cement. Distinct and parallel normal compression lines were observed for every mixture. The fibre lengths, measured after high pressure application, have shown that some fibres suffered an elongation and others were broken, indicating that fibres work in tension under isotropic compression. An increase in bulk modulus was observed in the presence of both: fibres and cement. Reduced amounts of particle breakage were also found in the mixtures containing fibres. To better determine critical state the samples were sheared up to 40% of shear deformation after the isotropic consolidation took place. The critical state envelopes of the reinforced materials, in the stress space p': q, have shown a bi-linear behaviour. The critical state line in the space v:lnp' for the sand and reinforced sand was distinct and curved and converged to a stress threshold, becoming linear and unique. On the critical state the cemented material have shown the same behaviour as the uncemented soil. The same happened to the cemented reinforced material related to the reinforced soil. It can be seen that even at small stresses the fibres present elongation and rupture after reaching high strains. The increase in confining stress led to a progressive rupture ofthe fibres anda gradual loss of the benefit of having fibres mixed in the soil. Cementation can increase the efficiency of the system, improving the bonding between fibres and soil particles, this allow the fibres to be more effective in the soil matrix, at least at low stress levels.

O intenso crescimento populacional traz consigo uma preocupação ambiental, já que, diante da necessidade de exploração dos recursos naturais, a adoção de políticas de reciclagem faz-se fundamental para alcançar o desenvolvimento sustentável. Neste cenário, apesar dos resíduos de construção e demolição (RCD) possuírem alto potencial de reciclagem, a estes sempre foi dispensado o tratamento de lixo. Além disso, os estudos realizados visando à reciclagem dos RCD mostram-se bastante concentrados na produção de agregados para a fabricação de concreto e para a aplicação em pavimentação. Diante disso, neste trabalho procurou-se definir uma nova aplicação para os resíduos de construção e demolição reciclados (RCD-R), buscando caracterizar suas propriedades geotécnicas como material de construção e verificando o seu desempenho como material de preenchimento de estruturas de solo reforçado. Ensaios de caracterização, de resistência ao cisalhamento e ensaios de arrancamento de geogrelha revelaram que o RCD-R apresentou baixos coeficientes de variação nas suas propriedades e excelente comportamento mecânico, o que justifica a sua utilização na aplicação proposta. / The intense population growth brings some environmental concerns due to the need of exploitation of natural resources, and the adoption of recycling policies is basic principle to reach sustainable development. In this scenario, however, the high potential of recycling the construction and demolition wastes (CDW) has been ignored. Moreover, studies focus mainly on the recycling of CDW for the production of aggregates for use in pavements and concrete. The present study deals with a new application of the recycled construction and demolition waste (RCDW) as backfill of reinforced soil structures. Characterization, direct shear and pullout tests on geogrids has depicted that RCDW shows low coefficients of variation of its properties and excellent mechanical behavior that justify its use for proposed application.

O conhecimento dos mecanismos de interação entre o solo e os geossintéticos é fundamental para o dimensionamento de obras em solo reforçado. Entretanto, em função das diferentes formas geométricas das superfícies das inclusões, a interação pode ocorrer de maneiras distintas. Para as geogrelhas, o arrancamento representa o mecanismo de interação que, em alguns casos, melhor retrata as situações que ocorrem no campo. Esta tese apresenta uma análise dos principais fatores que influenciam na interação entre o solo e as geogrelhas quando solicitadas ao arrancamento, utilizando equipamentos de teste de portes grande e pequeno, bem como um equipamento que testa isoladamente os elementos longitudinais e transversais das geogrelhas. Apresenta-se ainda dois modelos numéricos que permitem avaliar o comportamento de geogrelhas de comprimento qualquer a partir de resultados de ensaios de arrancamento de pequeno porte ou dos ensaios nos elementos isolados da geogrelha. Os resultados dos ensaios realizados são comparados entre si, sugerindo a viabilidade de se utilizar equipamentos de pequenas dimensões para executar ensaios de arrancamento em geogrelhas em meio a solos finos, em detrimento dos testes de grande porte que demandam uma grande quantidade de solo e de mão-de-obra para serem executados. Por fim, apresenta-se um método que, utilizando os resultados obtidos dos testes de pequeno porte, pode ser usado para determinar os esforços de tração nas inclusões de estruturas em solo reforçado, considerando aspectos como a interação solo–reforço e a rigidez à tração das inclusões / The knowledge of interaction mechanisms between soil and geosynthetics is fundamental for designing reinforced-soil structures. However, due the variety of surface geometry found in commercially available geosynthetics, the interaction between soil and inclusions can occur on different ways. For the geodrids, the pullout interaction mechanisms is the one that, in some cases, best represents the field situations. This thesis presents an analysis of the main factors influencing the soil-geogrid interaction during pullout phenomena, using large and small-scale test boxes, as well as an device that tests longitudinal and transversal geodrid elements isolated. Two numerical models for evaluating the pullout behavior of large geogrid samples using small-scale and on element tests are also presented. The results of different tests are compared, showing the viability of using small-scale tests for testing geogrids embedded in fine soils instead of large-scale tests, that demand large quantities of soil and labor to be done. On the penultimate chapter, a method for evaluating the maximum tensile effort of reinforced slopes and walls is presented. This method uses the results obtained from small-scale pullout tests and considers some important aspects as soil-geogrid interaction and reinforcement rigidity

Este trabalho apresenta um estudo sobre deformações de geotêxteis ao longo do tempo, considerando interações entre reforço e solo confinante em muros de solo reforçado. O programa experimental desenvolvido para esse fim envolveu duas etapas básicas. Na primeira etapa, um novo equipamento foi desenvolvido na Escola de Engenharia de São Carlos/USP, para a realização de ensaios de fluência com um elemento de solo reforçado. O equipamento desenvolvido permite simular o mecanismo típico de transferência de carga em estruturas de solo reforçado, isto é, o solo solicita o geotêxtil. Esse equipamento também possibilita que solo e geotêxtil apresentem deformações ao longo do tempo de forma interativa. Nessa etapa, o programa de ensaios foi conduzido utilizando-se uma areia pura e um geotêxtil de polipropileno. Na segunda etapa deste trabalho, modelos de muros de solo reforçado foram ensaiados em centrífuga na Universidade do Colorado em Boulder, EUA. Os referidos modelos foram construídos utilizando-se uma areia e mantas de poliéster e de polipropileno. Alguns modelos foram carregados até a ruptura com acréscimo de aceleração, enquanto outros foram observados, no decorrer do tempo, sob aceleração constante. Nos ensaios para investigação de fluência, deformações significativas foram observadas, ocorrendo, inclusive, a manifestação de ruptura em determinados modelos, após algumas horas de ensaio. Os ensaios realizados nas duas etapas do trabalho revelaram aspectos importantes relativos à interação solo-reforço. Com base na interpretação dos resultados experimentais, apresenta-se uma discussão sobre mecanismos de deformação, em função do tempo, em muros de solo reforçado. / This thesis presents a study on the time- ependent deformations of geotextiles in reinforced soil walls considering the long-term interactive behavior between the reinforcement and the confining soil. The experimental program comprised two distinct phases. In the first phase, a new equipment was designed and constructed at the School of Engineering at Sao Carlos/USP, Brazil, in an attempt to perform creep tests with an element of reinforced soil. This equipment simulates the typical load transfer mechanism in reinforced soil structures, that is, the load is transferred from the soil to the reinforcement. This equipment also allows long-term interactive deformations between the soil and the geotextile. The testing program of this phase was conducted using a pure dry sand and a polypropylene geotextile. In the second phase of this research, models of reinforced soil walls were tested in a centrifuge facility at the University of Colorado at Boulder, USA. The models were built using a pure dry sand and a polyester or polypropylene geotextile. The models were either loaded until failure increasing the centrifugal acceleration or tested under constant acceleration. Considerable strains were observed in the creep tests, and some of the models failed after a few hours. The testing programs carried out in this study revealed important aspects of the soil-reinforcement interaction. Based on the analyses of the experimental results a broad discussion on long-term deformation mechanisms in reinforced soil walls is made herein.

Avaliou-se experimentalmente o comportamento da resistência ao cisalhamento de interface em reforços unidirecionais utilizados em estruturas de contenção. Para tal, foram realizados ensaios de arrancamento em fitas metálicas, utilizadas para soluções em terra armada e chumbadores, para soluções em solo grampeado. Os ensaios, em campo e laboratório, permitiram constatar a pouca influência do diâmetro dos chumbadores no valor da resistência ao cisalhamento de interface (qs). Ainda em relação aos chumbadores, os resultados mostraram que o volume de calda de cimento para preenchimento da cavidade escavada está diretamente associado ao ganho de qs. Os ensaios em fitas metálicas, em obras executados com solos finos, mostraram que o seu uso requer um estudo mais detalhado do seu comportamento, visto que os parâmetros sugeridos pela NBR 9286/86 não condiz com os resultados experimentais desta pesquisa. / This study evaluated experimentally the behavior of interface shear strength in unidirectional reinforcements used in reinforced soil structures. Pullout tests were carried out on reinforcements used in reinforced earth and soil nailing techniques. Nail diameter has little influence on interface shear strength (qs), according to field and laboratory tests. Additionally, increasing grout volume in nail cavity was directly linked to gain of qs. Tests on reinforced earth reinforcements using fine-grained soils showed that the results do not match with the suggestion of NBR 9286/86.

[pt] A utilização de pneus usados é uma técnica interessante para reforço de solos, sob o aspecto ambiental. Os pneus usados constituem uma matéria-prima abundante e de custo reduzido. A técnica de utilização de pneus em obras geotécnicas vem sendo difundida no Brasil desde meados dos anos 90, com a construção do muro experimental de solopneus da PUC-Rio, em colaboração com a Fundação Geo-Rio e a Universidade de Ottawa (Canadá). O presente trabalho tem por objetivo apresentar a metodologia para avaliação da resistência ao arrancamento de malhas de pneus. Os pneus podem ser dispostos em um plano horizontal e amarrados entre si, formando uma malha de reforço. Podem ser utilizados pneus inteiros ou com uma das bandas laterais cortadas. A sobrecarga atuando no reforço provém do confinamento provocado pela altura do aterro de solo, construído sobre a malha de pneus. Os ensaios de arrancamento dos pneus no campo utilizaram uma estrutura metálica de reação, atirantada, a qual foi desenvolvida especificamente para o programa experimental sobre reforço de solos. Os resultados permitiram idealizar um mecanismo de ruptura envolvido no processo de arrancamento das malhas de pneus, bem como a verificação das características de resistência e deformabilidade deste tipo de reforço. / [en] The use of scrap tires as soil reinforcement is an environmentally interesting technique. Scrap tires are an abundant and low cost waste material. The technique for using tires in geotechnical construction is becoming popular in Brazil since the construction of an experimental gravity wall made with soil and tires in 1995. This wall was part of a research project by carried out by PUC-Rio in collaboration with Geo-Rio and University of Ottawa. The objective of this work is to present a methodology to evaluate the pull-out behaviour of tire meshes. The tires can be placed in a horizontal plane and tied with rope or wire, forming a reinforcement mesh. The surcharge on these meshes comes from the confinement due to the height of a soil embankment built on the mesh. Field pull-out tests were performed on these reinforcement meshes, using a metallic reaction structure, which was developed specifically for this experimental research. The results allowed the idealization of a shearing mechanism based on the pull-out of tire meshes, as well as the verification of the strength and deformability characteristics of the reinforcement.

In the last couple of decades, geocell reinforced soil systems have been used in challenging new applications. Although the widely different application of cellular confinement systems demand a better understanding of the fundamental behaviour of the functioning of the cellular reinforced soil systems, surprisingly little research on the fundamental behaviour of the structures and the interaction of the components has been done. A research project has been initiated at the University of Pretoria and this thesis constitutes the first step in achieving an understanding in the functioning of geocell reinforced soil systems. This thesis is focused specifically on the geocell support pack I configuration. However, the research output is not limited to this configuration and may find wider application. The support packs were studied at a width to height ratio of 0.5. The fill material used in this study is classified gold tailings from the Witwatersrand Complex and the geocell membranes were manufactured from a thin (nominal thickness of 0.2 mm) High Density Polyethylene (HDPE) sheet. This study provides an understanding of the functioning of the geocell support pack by studying the constitutive behaviour of the fill and membrane material and their interaction, as well as the influence of multiple cells on the composite structures. The behaviour of the classified tailings material is interpreted in terms of Rowe's stress-dilatancy theory and a simple robust constitutive model for the material behaviour is developed. The stress-strain behaviour of the HDPE membranes is strain-rate-dependent and two simple mathematical models for the strain-rate-dependent stress-strain behaviour of the membranes are developed. An analytical calculation procedure for obtaining the stress-strain behaviour of the fill confined with a single geocell is developed with which some of the shortcomings of the previously presented theories are addressed. This procedure uses the models for the fill and membrane behaviour developed as part of this study. The interaction of adjacent cells in a multiple cell geocell structure, influences its behaviour. This thesis shows that, with exception of low axial strain levels, the efficiency of a structure consisting of multiple cells of a certain size is lower than a single cell structure with the same cell size and fill. These results are contrary to previously published opinion. A method for quantifying the efficiency of a multiple cell pack is also developed. / Thesis (PhD (Geotechnical Engineering))--University of Pretoria, 2006. / Civil Engineering / unrestricted