Thesis (MSc)--Stellenbosch University, 2015. / ENGLISH ABSTRACT: Rock falls are the cause of the majority of mining-related injuries and fatalities in deep tabular South African mines. The standard process of entry examination is performed before working shifts and after blasting to detect structurally loose rocks. This process is performed by a miner using a pinch bar to ‘sound’ a rock by striking it and making a judgement based on the frequency response of the resultant sound. The Electronic Sounding Device (ESD) developed by the CSIR aims to assist in this process by performing a concurrent prediction of the structural state of the rock based on the acoustic waveform generated in the sounding process. This project aimed to identify, develop and deploy an effective classification model to be used on the ESD to perform this assessment. The project was undertaken in three main stages: the collection of labelled acoustic samples from working areas; the extraction of descriptive features from the waveforms; and the competitive evaluation of suitable classification models. Acoustic samples of the sounding process were recorded at the Driefontein mine operation by teams of Gold Fields employees. The samples were recorded in working areas on each of the four reefs that were covered by the shafts of the mine complex. Samples were labelled as ‘safe’ or ‘unsafe’ to indicate an expert’s judgement of the rock’s structural state. A laboratory-controlled environment was also created to provide a platform from which to collect acoustic samples with objective labelling. Three sets of features were extracted from the acoustic waveforms to form a descriptive feature dataset: four statistical moments of the frequency distribution of the waveform formed; the average energy contained in 16 discrete frequency bands in the data; and 12 Mel Frequency Cepstral Coefficients (MFCCs). Classification models from four model families were competitively evaluated for best accuracy in predicting structural states. The models evaluated were k-nearest neighbours, self-organising maps, decision trees, random forests, logistic regression, neural networks, and support vector machines with radial basis function and polynomial kernels. The sensitivity of the models, i.e. their ability to avoid predicting a ‘safe’ status when the rock mass was actually loose, was used as the critical performance measure. A single-hidden-layer feed-forward neural network with 15 nodes in the hidden layer and a sigmoid activation function was found to best suited for acoustic classification on the ESD. Additional feature selection was performed to identify the optimised form of the model. The final model was successfully implemented on the ESD platform. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Rotsstortings is die oorsaak van die meerderheid van mynbouverwante ongelukke en ongevalle in diep tabulêre Suid-Afrikaanse myne. Die standaard proses van pretoegang ondersoeke om strukturele los rotse te erken, word uitgevoer voor enige werkskof en na skietwerk. Dit word gedoen deur ‘n myner wat ‘n breekyster teen die rots kap en ‘n oordeel vel op die frekwensie weergawe van die gevolglike klank. Die ‘Elektroniese Klinking Toestel’ (Electronic Sounding Device, ESD) is ontwikkel deur die WNNR met die doel om die proses te ondersteun. Dit word gedoen deur ‘n gelyktydige voorspelling van die strukturele toestand gebaseer op die akoestiese golfvorm gegenereer in die proses van klinking. Die projek stel ten doel om ’n effektiewe klassifikasie-model te identifiseer, te ontwikkel en toe te pas in die ESD om hierdie assessering uit te voer. Die projek vind in drie stadiums plaas: die insameling van geëtiketteerde akoestiese monsters van die werkareas; die ekstraksie van beskrywende kenmerke van die golfvorms en die mededingende evaluering van geskikte klassifiseringsmodelle. Klinking akoestiese monsters is opgeneem by Driefontein mynbouoperasie deur spanne van Gold Fields se werknemers. Die akoestiese monsters is opgeneem in werkareas van elk van die vier goudriwwe wat deur die skagte van die mynkompleks gedek word. Monsters is as ‘veilig’ of ‘onveilig’ geëtiketteer as aanduiding van die ekspert se oordeel van die rots se strukturele toestand. ‘n Laboratorium gekontroleerde omgewing is ook geskep om ’n platform te skep vanwaar akoestiese monsters met objektiewe etikettering waargeneem word. Drie stelle van kenmerke is onttrek van die akoestiese golfvorms om ‘n beskrywende datastel van kenmerke te vorm: vier statistiese momente van die frekwensie verspreiding van die gevormde golfvorm; gemiddelde energie ingesluit in sestien diskrete frekwensiebande in die data; en twaalf ‘Mel Frequency Cepstrum Coefficients’ (MFCCs). Klassifikasie modelle van die vier modelsamestellings was kompeterend geëvalueer vir die beste akkuraatheid in voorspellings van strukturele toestande. Klassifikasie modelle het k-naaste bure, selforganiserende kaarte, besluitnemingsbome, lukrake woude, logistieke regressie, neurale netwerke en steun-vektor masjiene met radiale basisfunksie en polinominale kerne. Die meting van die sensitiwiteit van die modelle, met betrekking tot die vermoë van die modelle om veilige voorspellings te beperk wanneer die rotsmassa los is, was gebruik as ’n kritiese werksverrigtingsmeting. ‘n Enkel-verskuilde-laag neurale netwerk met 15 nodes in die verskuilde laag en ’n sigmoïde aktiveringsfunksie is gevind as die mees geskikte vir die ESD. Addisionele keuse van kenmerke is uitgevoer deur die geoptimiseerde vorm van die model te identifiseer. Die model was suksesvol geïmplementeer op die ESD platform.

O avanço das técnicas de melhoramento de solos vem permitindo o aproveitamento de locais nos quais, até pouco tempo atrás, era considerada a construção de muitas estruturas como inviáveis, seja técnica, financeira ou ambientalmente. Uma das técnicas que tem conseguido demostrar bons resultados é o reforço com fibras de diferentes origens, com ou sem presença de algum agente cimentante. A maioria dos estudos conduzidos sobre este tipo de materiais se têm centrado na caracterização dos materiais sob cargas estáticas, e outros estudos se limitam a avaliar o comportamento sob cargas cíclicas destes materiais para densidades relativas baixas, nas quais o fenômeno de liquefação governa o mecanismo de ruptura. O presente estudo tenta aprofundar no conhecimento sobre materiais compactos quando submetidos a carregamentos cíclicos, de maneira a fornecer insumos para o estudo deste campo. O estudo, de caráter experimental, foi feito através da caracterização de corpos de prova de areia e areia com 0,5% de fibras, além da consideração de dois índices de vazios: o primeiro de 0,63 (correspondente a uma densidade relativa de 90%), e o segundo com um índice de vazios igual a 0,75 (correspondente a uma densidade relativa de 50%) Foram executados 29 ensaios triaxiais, além da adoção dos valores de outros 15 feitos por outro autor, totalizando 44 ensaios. A totalidade dos ensaios divide-se assim: 12 ensaios monotônicos CID, 12 ensaios monotônicos CIU, e 20 ensaios cíclicos CIU sob tensão controlada. Nos ensaios monotônicos obtiveram-se incrementos no ângulo de atrito do material composto, sendo mais evidente para as amostras compactas. Em relação aos ensaios cíclicos, obteve-se incrementos nas resistência do material até atingir sua condição de ruptura, seja por liquefação em amostras pouco compactas (Dr= 50%), ou por mobilidade cíclica no caso de amostras compactas (Dr= 90%). A normalização dos resultados permitiu observar que, embora as fibras melhorem o desempenho das misturas quando submetidas a carregamentos cíclicos, não alteraram a estrutura do material em sua resposta em termos de módulo de elasticidade, pelo menos no que respeita a níveis de deformações medianos a grandes. Para pequenas deformações, evidenciou-se uma diminuição na rigidez das amostras, ocasionando assim maiores acréscimos de poropressão nos estágios iniciais dos ensaios, mais nas em areias com fibras do que sem elas. / The development of ground improvement techniques has allowed the use of certain places, which was in the past considered as non-viable for the construction of many types of structures. Fiber reinforced soils have shown good results, with or without presence of any cementitious agent. The focus of most studies performed on this type of materials, is the characterization under static loading, and other studies are limited to evaluating its behavior on cyclic loading at low level of relative density, in which cases the liquefaction phenomenon governs the mechanism of rupture. This study aims to improve the knowledge of cyclic loading effects in dense materials. Was carried out an experimental program by characterizing specimens of sand with 0% and 0.5% of randomly distributed fiber, considering two void ratios: 0.63 (dense sand, Dr = 90%) and 0.75 (moderately loose sand, Dr = 50%). In total, were performed 29 triaxial tests, in addition of another 15 executed by another author, totaling 44 The test were divided as follows: 12 monotonic CIU test, 12 monotonic CID test, and 20 CIU loading controlled cyclic test. In monotonic conditions, fibers addition increases the friction angle, mostly on dense samples (Dr = 90%) than on loose specimens (Dr = 50%). For cyclic tests, in both materials, fiber additions causes improvement on cyclic behavior, but with different failure mechanism, liquefaction for loose, and cyclic mobility for dense sands, regardless of the presence of fibers. The transformation of the number of cycles axis, or normalization of another cyclic results allowed observing that, despite the fiber addition can cause improvement of materials subjected to cyclic loading, the structure of the material did not change in elasticity modulus response, at least for medium to large strains levels. For small strains, occur a decrease in the stiffness of samples, causing greater increases of pore pressure in the initial stages of tests, more in reinforced sand than for none reinforced condition. / El avance de las técnicas para mejoramiento de suelos ha permitido el aprovechamiento de sitios en los cuales, hasta hace poco tiempo, se consideraba como no viable la construcción de muchas estructuras, sea por cuestiones técnicas, financieras o ambientales. Una técnica que ha demostrado buenos resultados es la incorporación de refuerzos con fibras de diferente origen, considerando o no la presencia de algún agente cementante. La mayoría de los estudios realizados a este tipo de materiales se han centrado en la caracterización bajo la acción de cargas estáticas, e otros se han limitado a evaluar el comportamiento bajo la acción de cargas cíclicas considerando únicamente densidades relativas bajas, para las cuales la ruptura está controlada por el fenómeno de licuación. El presente estudio busca ahondar en el conocimiento sobre el comportamiento bajo acción de cargas cíclicas de materiales compactos, buscando con ello ampliar la base experimental sobre este campo. El estudio, de carácter experimental, fue realizado a partir de la caracterización de especímenes de arena sin fibras y con 0,5% de fibras, además de la consideración de dos relaciones de vacíos: 0.63 (correspondiente a una densidad relativa de 90%), y 0,75 (correspondiente a una densidad relativa de 50%) Fueron realizados 29 ensayos triaxiales, además de haber adoptado los resultados de otros 15 realizados por otro autor, totalizando 44 ensayos. Los ensayos fueron divididos así: 12 ensayos monotónicos CID, 12 ensayos monotónicos CIU, y 20 ensayos triaxiales cíclicos CID con control de esfuerzos. En los ensayos monotónicos fueron obtenidos incrementos en el ángulo de fricción del material compuesto, siendo esta situación más evidente en muestras compactas. Con relación a los ensayos cíclicos, se obtuvo incremento en la resistencia de las muestras hasta alcanzar su condición de ruptura, bien sea por licuación (materiales relativamente sueltos, Dr = 50%), o por movilidad cíclica (materiales compactos, Dr = 90%). La normalización de los resultados permitió observar que, aunque las fibras mejoran el desempeño bajo cargas cíclicas de los materiales, no alteraron la estructura del material en términos de módulo de elasticidad, por lo menos para niveles medios y altos de deformación. Para pequeñas deformaciones, se evidenció una disminución en la rigidez de las muestras, lo que produjo mayores incrementos en las presiones de poros durante las fases iniciales de los ensayos, con mayor visibilidad en las arenas con fibras que cuando no hubo adición.

A RS471/BR153 é uma importante rodovia de integração, pois atravessa o estado do RS diagonalmente (Noroeste – Sudeste). O trecho estudado nesta dissertação localiza-se entre os municípios de Herveiras e Vera Cruz, coincidente com descida do planalto até a região central do estado. Durante o detalhamento do projeto e na construção da obra foram encontrados diversos problemas geotécnicos, os quais são sucintamente descritos. O texto apresenta as condicionantes geotécnicas de três subtrechos: (a) planalto, composto de rochas ácidas de origem vulcânica e grau de fraturamento muito alto; (b) descida da serra, composto pelos derrames da formação Serra Geral (brechas ácidas e basálticas e derrames basálticos) e (c) planície, com a presença de rochas sedimentares e materiais coluvionares. Além disto, há uma região especial onde o traçado atravessa uma sela topográfica coincidente com uma falha regional, com cortes de cerca de 60 m de altura através de rochas ácidas, básicas e brechas vulcânicas. A dissertação apresenta estudos dos processos de quedas de blocos rochosos que têm ocorrido nos cortes da rodovia. Foi utilizado um procedimento que correlaciona as leituras obtidas com o martelo Schmidt (Esclerômetro) e o coeficiente de restituição normal (RN) das rochas em diversos locais. Utilizando estes dados experimentais, foram executadas simulações de queda de blocos em quatro seções transversais bastante distintas com o uso do programa RocFall. Para cada seção foram simulados cinco cenários: (a) a existência de alargamentos para construção de áreas de retenção de blocos, (b) inexistência destas áreas, (c) a existência de preenchimento de uma ou várias banquetas existentes nos taludes de corte, e (d) o abatimento da seção com eliminação das banquetas. Foram também simulados quatro tipos de elementos de proteção: barreiras de baixa altura em concreto, camadas de areia fofa, barreiras metálicas flexíveis e proteção superficial dos taludes. A existência de áreas de retenção de blocos mostrou ser uma ótima medida, com frequências de invasão de pista geralmente abaixo de 1%, podendo chegar a 6,5% em condições de grande acúmulo de material. O melhor desempenho foi obtido pela instalação de camadas de areia fofa, obtendo-se todas as frequências abaixo de 2%. O uso de barreiras rígidas de 81 cm de altura teve um bom desempenho para taludes de baixa altura, chegando a detenções de até 25% dos blocos em trajetória de invasão. As barreiras flexíveis e proteções superficiais geraram resultados satisfatórios, mas que podem ser melhorados com outras modulações e dimensões. / The RS471/BR153 is an important road of integration, that cross RS state diagonally (northwest - southeast). The segment studied on this dissertation is located between the towns of Vera Cruz and Herveiras, coincident with the descent way from the plateau to the central state region. During the design and during the road construction several geotechnical problems were faced, which are briefly described. The text presents the geotechnical constraints of 3 segments: (a) plateau, composed of acid rocks of volcanic origin and very high degree of fracturing, (b) hills of the mountain, made up of volcanic rocks of Serra Geral formation (acid and basaltic breccias, basaltic flows) and (c) the plain, with the presence of sedimentary rocks and colluvial materials. There is also a special region where the road crosses a topographic saddle which it coincides with a regional fault, with cuts of about 60 m high through acid and basic rocks and volcanic breccia. The dissertation presents studies of rock falls that have occurred in the road cuts. A procedure that correlates the readings obtained with the Schmidt hammer (rebound hammer) and the normal coefficient of restitution (RN) of the rocks was carried out for measures taken at several locations. With these experimental data, simulations of falling boulders in four very different cross sections were done using the program RocFall. For each section five situations were simulated: (a) enlargements for the construction of rockfall catchment areas (b) the absence of these areas, (c) the existence of accumulation in the benchs of the cuts, and (d) the reduction of the section with bench removal. Four types of elements of protection were tested: concrete low barriers, layers of sand, flexible metal barriers and slope surface protection. The existence of rockfall catchment areas was shown to be a very good measure with frequencies of track invasion usually below 1% reaching 6.5% on conditions of large material accumulation. The best performance was obtained by the installation of sand layers, with all frequencies below 2%. The use of rigid barriers of 81 cm high had a good performance for low-slope heights, reaching up to 25% block retention. The use of flexible barriers and surface protections also had a good performance. / La RS471/BR153 es una importante carretera de integración, atraviesa el estado de RS diagonalmente (Noroeste-Sureste). El tramo estudiado en esta disertación se localiza entre los municipios de Herveiras y Vera Cruz, y coincide con el descenso desde el altiplano hasta la región central del estado. Durante las etapas de detalle y construcción de la obra fueron encontrados diversos problemas geotécnicos que son brevemente descritos. El texto presenta los condicionantes geotécnicos de tres subtramos: (a) altiplano, compuesto por rocas ácidas de origen volcánico y grado de fracturamiento muy alto; (b) descenso de la sierra, compuesto por los derrames de la formación Serra Geral (brechas ácidas y basálticas e derrames basálticos) y (c) planicie, con rocas sedimentarias y materiales coluviales. Además, hay una región donde el trazado atraviesa una “silla” topográfica que coincide con una falla regional, con cortes de aproximadamente 60 m de altura a través de rocas ácidas, básicas y brechas volcánicas. La disertación presenta estudios de procesos de caídas de rocas que han ocurrido en algunos cortes. Fue utilizado un procedimiento que correlaciona las lecturas obtenidas con el martillo Schmidt (Esclerómetro) y el coeficiente de restitución normal (RN) de las rocas en diferentes lugares. Con estos datos experimentales, fueron ejecutadas simulaciones de caídas de rocas en cuatro secciones transversales bastante distintas usando el programa RocFall. En cada sección fueron simulados cinco escenarios: (a) existencia de sobreanchos para la construcción de áreas de retención de rocas, (b) inexistencia de estas áreas, (c) existencia de relleno en una o más gradas existentes en los taludes de corte, y (d) diminución de la pendiente de los taludes y eliminación de las gradas. También fueron simulados cuatro tipos de elementos de protección: barreras de baja altura en concreto, capas de arena suelta, barreras metálicas flexibles y protección superficial de los taludes. La existencia de áreas de retención de rocas mostro ser una excelente medida, con frecuencias de invasión de pista generalmente inferiores a 1%, pudiendo llegar a 6,5% en condiciones de gran acumulación de material. El mejor desempeño fue obtenido con la instalación de capas de arena suelta, con todas las frecuencias por debajo de 2%. El uso de barreras rígidas de 81 cm de altura tuvo un buen desempeño para taludes de baja altura, llegando a detenciones de hasta 25% de los bloques en trayectoria de invasión. Las barreras flexibles y protecciones superficiales generaron resultados satisfactorios, que podrían ser mejorados con otras modulaciones y dimensiones.

O avanço das técnicas de melhoramento de solos vem permitindo o aproveitamento de locais nos quais, até pouco tempo atrás, era considerada a construção de muitas estruturas como inviáveis, seja técnica, financeira ou ambientalmente. Uma das técnicas que tem conseguido demostrar bons resultados é o reforço com fibras de diferentes origens, com ou sem presença de algum agente cimentante. A maioria dos estudos conduzidos sobre este tipo de materiais se têm centrado na caracterização dos materiais sob cargas estáticas, e outros estudos se limitam a avaliar o comportamento sob cargas cíclicas destes materiais para densidades relativas baixas, nas quais o fenômeno de liquefação governa o mecanismo de ruptura. O presente estudo tenta aprofundar no conhecimento sobre materiais compactos quando submetidos a carregamentos cíclicos, de maneira a fornecer insumos para o estudo deste campo. O estudo, de caráter experimental, foi feito através da caracterização de corpos de prova de areia e areia com 0,5% de fibras, além da consideração de dois índices de vazios: o primeiro de 0,63 (correspondente a uma densidade relativa de 90%), e o segundo com um índice de vazios igual a 0,75 (correspondente a uma densidade relativa de 50%) Foram executados 29 ensaios triaxiais, além da adoção dos valores de outros 15 feitos por outro autor, totalizando 44 ensaios. A totalidade dos ensaios divide-se assim: 12 ensaios monotônicos CID, 12 ensaios monotônicos CIU, e 20 ensaios cíclicos CIU sob tensão controlada. Nos ensaios monotônicos obtiveram-se incrementos no ângulo de atrito do material composto, sendo mais evidente para as amostras compactas. Em relação aos ensaios cíclicos, obteve-se incrementos nas resistência do material até atingir sua condição de ruptura, seja por liquefação em amostras pouco compactas (Dr= 50%), ou por mobilidade cíclica no caso de amostras compactas (Dr= 90%). A normalização dos resultados permitiu observar que, embora as fibras melhorem o desempenho das misturas quando submetidas a carregamentos cíclicos, não alteraram a estrutura do material em sua resposta em termos de módulo de elasticidade, pelo menos no que respeita a níveis de deformações medianos a grandes. Para pequenas deformações, evidenciou-se uma diminuição na rigidez das amostras, ocasionando assim maiores acréscimos de poropressão nos estágios iniciais dos ensaios, mais nas em areias com fibras do que sem elas. / The development of ground improvement techniques has allowed the use of certain places, which was in the past considered as non-viable for the construction of many types of structures. Fiber reinforced soils have shown good results, with or without presence of any cementitious agent. The focus of most studies performed on this type of materials, is the characterization under static loading, and other studies are limited to evaluating its behavior on cyclic loading at low level of relative density, in which cases the liquefaction phenomenon governs the mechanism of rupture. This study aims to improve the knowledge of cyclic loading effects in dense materials. Was carried out an experimental program by characterizing specimens of sand with 0% and 0.5% of randomly distributed fiber, considering two void ratios: 0.63 (dense sand, Dr = 90%) and 0.75 (moderately loose sand, Dr = 50%). In total, were performed 29 triaxial tests, in addition of another 15 executed by another author, totaling 44 The test were divided as follows: 12 monotonic CIU test, 12 monotonic CID test, and 20 CIU loading controlled cyclic test. In monotonic conditions, fibers addition increases the friction angle, mostly on dense samples (Dr = 90%) than on loose specimens (Dr = 50%). For cyclic tests, in both materials, fiber additions causes improvement on cyclic behavior, but with different failure mechanism, liquefaction for loose, and cyclic mobility for dense sands, regardless of the presence of fibers. The transformation of the number of cycles axis, or normalization of another cyclic results allowed observing that, despite the fiber addition can cause improvement of materials subjected to cyclic loading, the structure of the material did not change in elasticity modulus response, at least for medium to large strains levels. For small strains, occur a decrease in the stiffness of samples, causing greater increases of pore pressure in the initial stages of tests, more in reinforced sand than for none reinforced condition. / El avance de las técnicas para mejoramiento de suelos ha permitido el aprovechamiento de sitios en los cuales, hasta hace poco tiempo, se consideraba como no viable la construcción de muchas estructuras, sea por cuestiones técnicas, financieras o ambientales. Una técnica que ha demostrado buenos resultados es la incorporación de refuerzos con fibras de diferente origen, considerando o no la presencia de algún agente cementante. La mayoría de los estudios realizados a este tipo de materiales se han centrado en la caracterización bajo la acción de cargas estáticas, e otros se han limitado a evaluar el comportamiento bajo la acción de cargas cíclicas considerando únicamente densidades relativas bajas, para las cuales la ruptura está controlada por el fenómeno de licuación. El presente estudio busca ahondar en el conocimiento sobre el comportamiento bajo acción de cargas cíclicas de materiales compactos, buscando con ello ampliar la base experimental sobre este campo. El estudio, de carácter experimental, fue realizado a partir de la caracterización de especímenes de arena sin fibras y con 0,5% de fibras, además de la consideración de dos relaciones de vacíos: 0.63 (correspondiente a una densidad relativa de 90%), y 0,75 (correspondiente a una densidad relativa de 50%) Fueron realizados 29 ensayos triaxiales, además de haber adoptado los resultados de otros 15 realizados por otro autor, totalizando 44 ensayos. Los ensayos fueron divididos así: 12 ensayos monotónicos CID, 12 ensayos monotónicos CIU, y 20 ensayos triaxiales cíclicos CID con control de esfuerzos. En los ensayos monotónicos fueron obtenidos incrementos en el ángulo de fricción del material compuesto, siendo esta situación más evidente en muestras compactas. Con relación a los ensayos cíclicos, se obtuvo incremento en la resistencia de las muestras hasta alcanzar su condición de ruptura, bien sea por licuación (materiales relativamente sueltos, Dr = 50%), o por movilidad cíclica (materiales compactos, Dr = 90%). La normalización de los resultados permitió observar que, aunque las fibras mejoran el desempeño bajo cargas cíclicas de los materiales, no alteraron la estructura del material en términos de módulo de elasticidad, por lo menos para niveles medios y altos de deformación. Para pequeñas deformaciones, se evidenció una disminución en la rigidez de las muestras, lo que produjo mayores incrementos en las presiones de poros durante las fases iniciales de los ensayos, con mayor visibilidad en las arenas con fibras que cuando no hubo adición.

A RS471/BR153 é uma importante rodovia de integração, pois atravessa o estado do RS diagonalmente (Noroeste – Sudeste). O trecho estudado nesta dissertação localiza-se entre os municípios de Herveiras e Vera Cruz, coincidente com descida do planalto até a região central do estado. Durante o detalhamento do projeto e na construção da obra foram encontrados diversos problemas geotécnicos, os quais são sucintamente descritos. O texto apresenta as condicionantes geotécnicas de três subtrechos: (a) planalto, composto de rochas ácidas de origem vulcânica e grau de fraturamento muito alto; (b) descida da serra, composto pelos derrames da formação Serra Geral (brechas ácidas e basálticas e derrames basálticos) e (c) planície, com a presença de rochas sedimentares e materiais coluvionares. Além disto, há uma região especial onde o traçado atravessa uma sela topográfica coincidente com uma falha regional, com cortes de cerca de 60 m de altura através de rochas ácidas, básicas e brechas vulcânicas. A dissertação apresenta estudos dos processos de quedas de blocos rochosos que têm ocorrido nos cortes da rodovia. Foi utilizado um procedimento que correlaciona as leituras obtidas com o martelo Schmidt (Esclerômetro) e o coeficiente de restituição normal (RN) das rochas em diversos locais. Utilizando estes dados experimentais, foram executadas simulações de queda de blocos em quatro seções transversais bastante distintas com o uso do programa RocFall. Para cada seção foram simulados cinco cenários: (a) a existência de alargamentos para construção de áreas de retenção de blocos, (b) inexistência destas áreas, (c) a existência de preenchimento de uma ou várias banquetas existentes nos taludes de corte, e (d) o abatimento da seção com eliminação das banquetas. Foram também simulados quatro tipos de elementos de proteção: barreiras de baixa altura em concreto, camadas de areia fofa, barreiras metálicas flexíveis e proteção superficial dos taludes. A existência de áreas de retenção de blocos mostrou ser uma ótima medida, com frequências de invasão de pista geralmente abaixo de 1%, podendo chegar a 6,5% em condições de grande acúmulo de material. O melhor desempenho foi obtido pela instalação de camadas de areia fofa, obtendo-se todas as frequências abaixo de 2%. O uso de barreiras rígidas de 81 cm de altura teve um bom desempenho para taludes de baixa altura, chegando a detenções de até 25% dos blocos em trajetória de invasão. As barreiras flexíveis e proteções superficiais geraram resultados satisfatórios, mas que podem ser melhorados com outras modulações e dimensões. / The RS471/BR153 is an important road of integration, that cross RS state diagonally (northwest - southeast). The segment studied on this dissertation is located between the towns of Vera Cruz and Herveiras, coincident with the descent way from the plateau to the central state region. During the design and during the road construction several geotechnical problems were faced, which are briefly described. The text presents the geotechnical constraints of 3 segments: (a) plateau, composed of acid rocks of volcanic origin and very high degree of fracturing, (b) hills of the mountain, made up of volcanic rocks of Serra Geral formation (acid and basaltic breccias, basaltic flows) and (c) the plain, with the presence of sedimentary rocks and colluvial materials. There is also a special region where the road crosses a topographic saddle which it coincides with a regional fault, with cuts of about 60 m high through acid and basic rocks and volcanic breccia. The dissertation presents studies of rock falls that have occurred in the road cuts. A procedure that correlates the readings obtained with the Schmidt hammer (rebound hammer) and the normal coefficient of restitution (RN) of the rocks was carried out for measures taken at several locations. With these experimental data, simulations of falling boulders in four very different cross sections were done using the program RocFall. For each section five situations were simulated: (a) enlargements for the construction of rockfall catchment areas (b) the absence of these areas, (c) the existence of accumulation in the benchs of the cuts, and (d) the reduction of the section with bench removal. Four types of elements of protection were tested: concrete low barriers, layers of sand, flexible metal barriers and slope surface protection. The existence of rockfall catchment areas was shown to be a very good measure with frequencies of track invasion usually below 1% reaching 6.5% on conditions of large material accumulation. The best performance was obtained by the installation of sand layers, with all frequencies below 2%. The use of rigid barriers of 81 cm high had a good performance for low-slope heights, reaching up to 25% block retention. The use of flexible barriers and surface protections also had a good performance. / La RS471/BR153 es una importante carretera de integración, atraviesa el estado de RS diagonalmente (Noroeste-Sureste). El tramo estudiado en esta disertación se localiza entre los municipios de Herveiras y Vera Cruz, y coincide con el descenso desde el altiplano hasta la región central del estado. Durante las etapas de detalle y construcción de la obra fueron encontrados diversos problemas geotécnicos que son brevemente descritos. El texto presenta los condicionantes geotécnicos de tres subtramos: (a) altiplano, compuesto por rocas ácidas de origen volcánico y grado de fracturamiento muy alto; (b) descenso de la sierra, compuesto por los derrames de la formación Serra Geral (brechas ácidas y basálticas e derrames basálticos) y (c) planicie, con rocas sedimentarias y materiales coluviales. Además, hay una región donde el trazado atraviesa una “silla” topográfica que coincide con una falla regional, con cortes de aproximadamente 60 m de altura a través de rocas ácidas, básicas y brechas volcánicas. La disertación presenta estudios de procesos de caídas de rocas que han ocurrido en algunos cortes. Fue utilizado un procedimiento que correlaciona las lecturas obtenidas con el martillo Schmidt (Esclerómetro) y el coeficiente de restitución normal (RN) de las rocas en diferentes lugares. Con estos datos experimentales, fueron ejecutadas simulaciones de caídas de rocas en cuatro secciones transversales bastante distintas usando el programa RocFall. En cada sección fueron simulados cinco escenarios: (a) existencia de sobreanchos para la construcción de áreas de retención de rocas, (b) inexistencia de estas áreas, (c) existencia de relleno en una o más gradas existentes en los taludes de corte, y (d) diminución de la pendiente de los taludes y eliminación de las gradas. También fueron simulados cuatro tipos de elementos de protección: barreras de baja altura en concreto, capas de arena suelta, barreras metálicas flexibles y protección superficial de los taludes. La existencia de áreas de retención de rocas mostro ser una excelente medida, con frecuencias de invasión de pista generalmente inferiores a 1%, pudiendo llegar a 6,5% en condiciones de gran acumulación de material. El mejor desempeño fue obtenido con la instalación de capas de arena suelta, con todas las frecuencias por debajo de 2%. El uso de barreras rígidas de 81 cm de altura tuvo un buen desempeño para taludes de baja altura, llegando a detenciones de hasta 25% de los bloques en trayectoria de invasión. Las barreras flexibles y protecciones superficiales generaron resultados satisfactorios, que podrían ser mejorados con otras modulaciones y dimensiones.

O avanço das técnicas de melhoramento de solos vem permitindo o aproveitamento de locais nos quais, até pouco tempo atrás, era considerada a construção de muitas estruturas como inviáveis, seja técnica, financeira ou ambientalmente. Uma das técnicas que tem conseguido demostrar bons resultados é o reforço com fibras de diferentes origens, com ou sem presença de algum agente cimentante. A maioria dos estudos conduzidos sobre este tipo de materiais se têm centrado na caracterização dos materiais sob cargas estáticas, e outros estudos se limitam a avaliar o comportamento sob cargas cíclicas destes materiais para densidades relativas baixas, nas quais o fenômeno de liquefação governa o mecanismo de ruptura. O presente estudo tenta aprofundar no conhecimento sobre materiais compactos quando submetidos a carregamentos cíclicos, de maneira a fornecer insumos para o estudo deste campo. O estudo, de caráter experimental, foi feito através da caracterização de corpos de prova de areia e areia com 0,5% de fibras, além da consideração de dois índices de vazios: o primeiro de 0,63 (correspondente a uma densidade relativa de 90%), e o segundo com um índice de vazios igual a 0,75 (correspondente a uma densidade relativa de 50%) Foram executados 29 ensaios triaxiais, além da adoção dos valores de outros 15 feitos por outro autor, totalizando 44 ensaios. A totalidade dos ensaios divide-se assim: 12 ensaios monotônicos CID, 12 ensaios monotônicos CIU, e 20 ensaios cíclicos CIU sob tensão controlada. Nos ensaios monotônicos obtiveram-se incrementos no ângulo de atrito do material composto, sendo mais evidente para as amostras compactas. Em relação aos ensaios cíclicos, obteve-se incrementos nas resistência do material até atingir sua condição de ruptura, seja por liquefação em amostras pouco compactas (Dr= 50%), ou por mobilidade cíclica no caso de amostras compactas (Dr= 90%). A normalização dos resultados permitiu observar que, embora as fibras melhorem o desempenho das misturas quando submetidas a carregamentos cíclicos, não alteraram a estrutura do material em sua resposta em termos de módulo de elasticidade, pelo menos no que respeita a níveis de deformações medianos a grandes. Para pequenas deformações, evidenciou-se uma diminuição na rigidez das amostras, ocasionando assim maiores acréscimos de poropressão nos estágios iniciais dos ensaios, mais nas em areias com fibras do que sem elas. / The development of ground improvement techniques has allowed the use of certain places, which was in the past considered as non-viable for the construction of many types of structures. Fiber reinforced soils have shown good results, with or without presence of any cementitious agent. The focus of most studies performed on this type of materials, is the characterization under static loading, and other studies are limited to evaluating its behavior on cyclic loading at low level of relative density, in which cases the liquefaction phenomenon governs the mechanism of rupture. This study aims to improve the knowledge of cyclic loading effects in dense materials. Was carried out an experimental program by characterizing specimens of sand with 0% and 0.5% of randomly distributed fiber, considering two void ratios: 0.63 (dense sand, Dr = 90%) and 0.75 (moderately loose sand, Dr = 50%). In total, were performed 29 triaxial tests, in addition of another 15 executed by another author, totaling 44 The test were divided as follows: 12 monotonic CIU test, 12 monotonic CID test, and 20 CIU loading controlled cyclic test. In monotonic conditions, fibers addition increases the friction angle, mostly on dense samples (Dr = 90%) than on loose specimens (Dr = 50%). For cyclic tests, in both materials, fiber additions causes improvement on cyclic behavior, but with different failure mechanism, liquefaction for loose, and cyclic mobility for dense sands, regardless of the presence of fibers. The transformation of the number of cycles axis, or normalization of another cyclic results allowed observing that, despite the fiber addition can cause improvement of materials subjected to cyclic loading, the structure of the material did not change in elasticity modulus response, at least for medium to large strains levels. For small strains, occur a decrease in the stiffness of samples, causing greater increases of pore pressure in the initial stages of tests, more in reinforced sand than for none reinforced condition. / El avance de las técnicas para mejoramiento de suelos ha permitido el aprovechamiento de sitios en los cuales, hasta hace poco tiempo, se consideraba como no viable la construcción de muchas estructuras, sea por cuestiones técnicas, financieras o ambientales. Una técnica que ha demostrado buenos resultados es la incorporación de refuerzos con fibras de diferente origen, considerando o no la presencia de algún agente cementante. La mayoría de los estudios realizados a este tipo de materiales se han centrado en la caracterización bajo la acción de cargas estáticas, e otros se han limitado a evaluar el comportamiento bajo la acción de cargas cíclicas considerando únicamente densidades relativas bajas, para las cuales la ruptura está controlada por el fenómeno de licuación. El presente estudio busca ahondar en el conocimiento sobre el comportamiento bajo acción de cargas cíclicas de materiales compactos, buscando con ello ampliar la base experimental sobre este campo. El estudio, de carácter experimental, fue realizado a partir de la caracterización de especímenes de arena sin fibras y con 0,5% de fibras, además de la consideración de dos relaciones de vacíos: 0.63 (correspondiente a una densidad relativa de 90%), y 0,75 (correspondiente a una densidad relativa de 50%) Fueron realizados 29 ensayos triaxiales, además de haber adoptado los resultados de otros 15 realizados por otro autor, totalizando 44 ensayos. Los ensayos fueron divididos así: 12 ensayos monotónicos CID, 12 ensayos monotónicos CIU, y 20 ensayos triaxiales cíclicos CID con control de esfuerzos. En los ensayos monotónicos fueron obtenidos incrementos en el ángulo de fricción del material compuesto, siendo esta situación más evidente en muestras compactas. Con relación a los ensayos cíclicos, se obtuvo incremento en la resistencia de las muestras hasta alcanzar su condición de ruptura, bien sea por licuación (materiales relativamente sueltos, Dr = 50%), o por movilidad cíclica (materiales compactos, Dr = 90%). La normalización de los resultados permitió observar que, aunque las fibras mejoran el desempeño bajo cargas cíclicas de los materiales, no alteraron la estructura del material en términos de módulo de elasticidad, por lo menos para niveles medios y altos de deformación. Para pequeñas deformaciones, se evidenció una disminución en la rigidez de las muestras, lo que produjo mayores incrementos en las presiones de poros durante las fases iniciales de los ensayos, con mayor visibilidad en las arenas con fibras que cuando no hubo adición.

A RS471/BR153 é uma importante rodovia de integração, pois atravessa o estado do RS diagonalmente (Noroeste – Sudeste). O trecho estudado nesta dissertação localiza-se entre os municípios de Herveiras e Vera Cruz, coincidente com descida do planalto até a região central do estado. Durante o detalhamento do projeto e na construção da obra foram encontrados diversos problemas geotécnicos, os quais são sucintamente descritos. O texto apresenta as condicionantes geotécnicas de três subtrechos: (a) planalto, composto de rochas ácidas de origem vulcânica e grau de fraturamento muito alto; (b) descida da serra, composto pelos derrames da formação Serra Geral (brechas ácidas e basálticas e derrames basálticos) e (c) planície, com a presença de rochas sedimentares e materiais coluvionares. Além disto, há uma região especial onde o traçado atravessa uma sela topográfica coincidente com uma falha regional, com cortes de cerca de 60 m de altura através de rochas ácidas, básicas e brechas vulcânicas. A dissertação apresenta estudos dos processos de quedas de blocos rochosos que têm ocorrido nos cortes da rodovia. Foi utilizado um procedimento que correlaciona as leituras obtidas com o martelo Schmidt (Esclerômetro) e o coeficiente de restituição normal (RN) das rochas em diversos locais. Utilizando estes dados experimentais, foram executadas simulações de queda de blocos em quatro seções transversais bastante distintas com o uso do programa RocFall. Para cada seção foram simulados cinco cenários: (a) a existência de alargamentos para construção de áreas de retenção de blocos, (b) inexistência destas áreas, (c) a existência de preenchimento de uma ou várias banquetas existentes nos taludes de corte, e (d) o abatimento da seção com eliminação das banquetas. Foram também simulados quatro tipos de elementos de proteção: barreiras de baixa altura em concreto, camadas de areia fofa, barreiras metálicas flexíveis e proteção superficial dos taludes. A existência de áreas de retenção de blocos mostrou ser uma ótima medida, com frequências de invasão de pista geralmente abaixo de 1%, podendo chegar a 6,5% em condições de grande acúmulo de material. O melhor desempenho foi obtido pela instalação de camadas de areia fofa, obtendo-se todas as frequências abaixo de 2%. O uso de barreiras rígidas de 81 cm de altura teve um bom desempenho para taludes de baixa altura, chegando a detenções de até 25% dos blocos em trajetória de invasão. As barreiras flexíveis e proteções superficiais geraram resultados satisfatórios, mas que podem ser melhorados com outras modulações e dimensões. / The RS471/BR153 is an important road of integration, that cross RS state diagonally (northwest - southeast). The segment studied on this dissertation is located between the towns of Vera Cruz and Herveiras, coincident with the descent way from the plateau to the central state region. During the design and during the road construction several geotechnical problems were faced, which are briefly described. The text presents the geotechnical constraints of 3 segments: (a) plateau, composed of acid rocks of volcanic origin and very high degree of fracturing, (b) hills of the mountain, made up of volcanic rocks of Serra Geral formation (acid and basaltic breccias, basaltic flows) and (c) the plain, with the presence of sedimentary rocks and colluvial materials. There is also a special region where the road crosses a topographic saddle which it coincides with a regional fault, with cuts of about 60 m high through acid and basic rocks and volcanic breccia. The dissertation presents studies of rock falls that have occurred in the road cuts. A procedure that correlates the readings obtained with the Schmidt hammer (rebound hammer) and the normal coefficient of restitution (RN) of the rocks was carried out for measures taken at several locations. With these experimental data, simulations of falling boulders in four very different cross sections were done using the program RocFall. For each section five situations were simulated: (a) enlargements for the construction of rockfall catchment areas (b) the absence of these areas, (c) the existence of accumulation in the benchs of the cuts, and (d) the reduction of the section with bench removal. Four types of elements of protection were tested: concrete low barriers, layers of sand, flexible metal barriers and slope surface protection. The existence of rockfall catchment areas was shown to be a very good measure with frequencies of track invasion usually below 1% reaching 6.5% on conditions of large material accumulation. The best performance was obtained by the installation of sand layers, with all frequencies below 2%. The use of rigid barriers of 81 cm high had a good performance for low-slope heights, reaching up to 25% block retention. The use of flexible barriers and surface protections also had a good performance. / La RS471/BR153 es una importante carretera de integración, atraviesa el estado de RS diagonalmente (Noroeste-Sureste). El tramo estudiado en esta disertación se localiza entre los municipios de Herveiras y Vera Cruz, y coincide con el descenso desde el altiplano hasta la región central del estado. Durante las etapas de detalle y construcción de la obra fueron encontrados diversos problemas geotécnicos que son brevemente descritos. El texto presenta los condicionantes geotécnicos de tres subtramos: (a) altiplano, compuesto por rocas ácidas de origen volcánico y grado de fracturamiento muy alto; (b) descenso de la sierra, compuesto por los derrames de la formación Serra Geral (brechas ácidas y basálticas e derrames basálticos) y (c) planicie, con rocas sedimentarias y materiales coluviales. Además, hay una región donde el trazado atraviesa una “silla” topográfica que coincide con una falla regional, con cortes de aproximadamente 60 m de altura a través de rocas ácidas, básicas y brechas volcánicas. La disertación presenta estudios de procesos de caídas de rocas que han ocurrido en algunos cortes. Fue utilizado un procedimiento que correlaciona las lecturas obtenidas con el martillo Schmidt (Esclerómetro) y el coeficiente de restitución normal (RN) de las rocas en diferentes lugares. Con estos datos experimentales, fueron ejecutadas simulaciones de caídas de rocas en cuatro secciones transversales bastante distintas usando el programa RocFall. En cada sección fueron simulados cinco escenarios: (a) existencia de sobreanchos para la construcción de áreas de retención de rocas, (b) inexistencia de estas áreas, (c) existencia de relleno en una o más gradas existentes en los taludes de corte, y (d) diminución de la pendiente de los taludes y eliminación de las gradas. También fueron simulados cuatro tipos de elementos de protección: barreras de baja altura en concreto, capas de arena suelta, barreras metálicas flexibles y protección superficial de los taludes. La existencia de áreas de retención de rocas mostro ser una excelente medida, con frecuencias de invasión de pista generalmente inferiores a 1%, pudiendo llegar a 6,5% en condiciones de gran acumulación de material. El mejor desempeño fue obtenido con la instalación de capas de arena suelta, con todas las frecuencias por debajo de 2%. El uso de barreras rígidas de 81 cm de altura tuvo un buen desempeño para taludes de baja altura, llegando a detenciones de hasta 25% de los bloques en trayectoria de invasión. Las barreras flexibles y protecciones superficiales generaron resultados satisfactorios, que podrían ser mejorados con otras modulaciones y dimensiones.