Past studies on soil nailing have a common assumption that a soil nail could be simplified as a single material solid cylinder. However, a soil nail is a composite material and consisted of the following basic components: steel bars, cement grout, PVC centralizers, steel couplers, and a plastic hose, etc. They are combined and work together to keep the fundamental functions in soil reinforcement. Since these components are made by various constituent materials, the physical and mechanical properties of them are greatly different, making the deformations through soil nail diverse. The different deformations could be incompatible, which has significant effects on the soil nail integrity and performance due to the intrinsically existing vulnerable areas. One critical issue is the key component cement grout sleeve, functioning as the adhesive to transfer stress between the ground and steel bar, may encounter tensile failure on the out-layer surface or along the interface between steel bar and itself. The consequence would be cracking and detachment of cement grout and then malfunction of soil nails. Therefore, it is of great importance to examine the mechanical behavior of soil nails by taking into account the behavior of the different components. In this research extensive laboratory tests have been carried out to examine and quantify the mechanical properties of soil nail’s each component as well as their simple combinations. Based on this, a series of physical modeling of soil nail in tension and bending tests are designed to simulate the deformation of soil nail under loading. The characteristics of soil nail’s overall behavior and cracking initiation/propagation in cement grout are observed and interpreted. Besides, two soil nail’s component replacement trials based on the conventional design are conducted with attempt to enhance the overall soil nail strength and facilitate the installation procedure. A new concrete mix design with fine aggregates (sands) is adopted to substitute the neat cement grout for minimizing the local failure in cement column. Optimum sand ratio which is sound for postponing the cracking is evaluated as well. Another trial is the application of hollow core steel bar in place of the solid one. Compared to the traditional drill-and-grout soil nailing method, this new technology has advantages of fewer installation steps through a self-grout method. Similar laboratory tests are done to exam the impact on soil nail’s capacity from this change and preliminarily evaluate the feasibility of using of hollow core steel bar in practice. / published_or_final_version / Civil Engineering / Master / Master of Philosophy

Thesis (M.Phil.)--Hong Kong University of Science and Technology, 2008. / Includes bibliographical references (leaves 211-217). Also available in electronic version.

Thesis (M.S.)--West Virginia University, 2007. / Title from document title page. Document formatted into pages; contains xii, 86 p. : ill. (some col.). Includes abstract. Includes bibliographical references (p. 80-82).

The subject of this thesis is the design of a local road cut off in the resort Hálův mlýn located in the cadastral of municipality Lažánky, Brno-venkov district, South Moravian Region. The thesis contains static calculation and design documentation.

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[pt] O comportamento de uma escavação grampeada em solo residual de gnaisse foi avaliado por um programa de monitoramento geotécnico do maciço reforçado. Diversas obras estão sendo realizadas no país, sem conhecimentos detalhados sobre as deformações inerentes à técnica e sobre os mecanismos de interação solo-grampo. No Brasil, menos de 10% das obras de solo grampeado utilizaram algum tipo de instrumentação. Esta pesquisa teve por objetivo a análise de uma escavação em solo residual reforçada com grampos. A escavação foi instrumentada para o monitoramento dos deslocamentos do maciço e dos esforços nos grampos. Um extenso programa experimental de ensaios de campo e laboratório foi executado para fornecer os parâmetros geotécnicos utilizados nas análises computacionais. A escavação grampeada teve cerca de 40m de altura, constituindo uma experiência inédita no país e talvez no mundo. Devido a esta altura, os grampos superiores foram instalados com comprimentos de até 24m. O comportamento do talude foi influenciado pelo processo executivo e por uma outra escavação no terreno vizinho. O monitoramento indicou que os deslocamentos do maciço e os esforços nos grampos cresceram significativamente com o avanço da escavação e não cessaram ao final da obra. Os grampos trabalharam predominantemente à tração, com momentos fletores pouco significativos. Os valores de tração estimados na fase de projeto diferiram dos resultados obtidos na instrumentação. A distribuição dos esforços de tração foi influenciada pelas características geológicas do maciço. A tração máxima (Tmáx) teve uma posição variando com a profundidade e a inclinação do talude, e uma magnitude aumentando exponencialmente com o avanço da escavação. A tração na face (To) foi de 0,3 a 0,6 de Tmáx. A resistência mobilizada no contacto solo- grampo não ultrapassou 35% do valor de qs medido nos ensaios de campo. / [en] The behavior of a nailed excavation in gneissic residual soil has been studied by a comprehensive research program, including instrumentation, field and laboratory tests and numerical analyses. Soil nailing is becoming a popular stabilization technique in Brazil. However, a solid knowledge about the soil-nail interaction is still lacking. There are a few studies about the inherent deformations of the reinforced mass and the magnitude of nail`s stresses. In Brazil, less than 10% of stabilization works have some type of instrumentation. The main objective of this research was monitoring and analysing a 40m high soil nailed slope excavation. Due to this unique height, the upper nails were installed with 24m length. The slope behavior was influenced by several factors, such as the construction technique and a subsequent excavation at one adjacent site. The results indicated a significant increase of reinforced mass displacements and of the nail s mobilized tension during the progress of the excavation. These did not cease after the end of the excavation, due to the adjacent work. During and after construction, the nails worked predominantly in tension. Estimated tension loads in the project phase were compared with the instrumentation s results. The stress distribution was influenced by local geology. The maximum axial force (Tmáx) increased exponentially with the progress of the excavation and its position, in each nail, varies with the slope s depth and inclination. The magnitude of the axial load in the excavation face is observed to be between 0,3 and 0,6 of Tmáx. The mobilization of the reinforcement elements was smaller than 35% qs.

Apesar do largo emprego da técnica de solo pregado em nosso país, pouquíssima pesquisa foi realizada sobre a resistência ao cisalhamento de interface solo-reforço (qs) e sobre a importância deste parâmetro no desempenho desta técnica de reforço in situ de taludes e escavações. Busca-se com esta tese, avaliar experimentalmente, a influência de diferentes metodologias executivas do chumbador (número de injeções) neste parâmetro. As informações para o desenvolvimento deste trabalho foram obtidas a partir de ensaios de arrancamento realizados em chumbadores construídos em duas obras nas cercanias da cidade de São Paulo, ou seja, em escala real. De forma complementar, também foi construído uma estrutura de solo pregado em laboratório. A partir dos ensaios realizados, observaram-se melhorias significativas na resistência ao cisalhamento de interface a partir das injeções do chumbador e estabelecer equações que relacionam o valor de qs com o volume injetado de calda de cimento, sendo uma importante ferramenta para analisar o desempenho do chumbador. O monitoramento ao longo do ensaio permitiu analisar os mecanismos de distribuição das cargas. Por fim, é apresentada uma proposta de metodologia para a realização do controle de qualidade do chumbador. / Besides the soil nailing technique being common practice in Brazil, there is little research on the shear strength of the soil-reinforcement interface (qs) and on the importance of this parameter on the performance of this in situ reinforcement technique of slopes and excavations. Accordingly, this study has the objective to experimentally evaluate the influence of different executive methodologies of the nail (i.e. number of grout injections) on the parameter qs. Data were obtained from in situ, full scale pullout tests performed on nails built in two construction sites near Sao Paulo city. Additionally, a soil nailing structure was built in laboratory. The results show that significant improvement is achieved on the soil-nail interface shear strenght by the number of grout injections. Moreover, the pullout tests on the nails provided quantification of this improvement. Consequently, it was possible to establish equations that relate the value of qs to the volume of cement grout injected, which is as important tool to evaluate the performance of the nail. Monitoring of the instrumentation during execution of the pullout tests allowed evaluation of the mechanisms of load distribution along the nails. Finally, a methodology is proposed for a quality control procedure on soil-nailed walls.

Solo grampeado é uma alternativa eficiente utilizada em obras de reforço de solos. É resultante da inclusão de reforços, denominados grampos, em um maciço em corte. A resistência ao cisalhamento da interface solo-grampo é um dos parâmetros mais importantes para fins de projeto. Este parâmetro é determinado a partir da experiência dos projetistas e se baseia principalmente no tipo de solo e em ensaios de campo (arrancamento, sondagens a percussão e pressiométricos). Neste contexto, a realização de ensaios de arrancamento in situ é extremamente importante para a quantificação deste parâmetro e, conseqüentemente, para a elaboração de projetos mais econômicos e seguros. A execução de ensaios de arrancamento em laboratório permite verificar condições muitas vezes não encontradas em campo. Este trabalho apresenta os resultados de ensaios de arrancamento de grampos realizados em laboratório. Também foi analisada a evolução da força nos grampos e dos deslocamentos do solo. Os grampos foram instalados em um protótipo de solo grampeado sobre o qual se aplicou uma sobrecarga de 50 kPa através de uma bolsa de ar comprimido. Os ensaios de arrancamento permitiram quantificar valores de resistência ao cisalhamento de interface da ordem de 145 kPa, mobilizados com pequenos deslocamentos dos grampos. O arrancamento de grampos instrumentados indicou que cerca de 90% do comprimento total dos grampos foi solicitado. Ao final dos ensaios de arrancamento, os grampos foram extraídos completamente do maciço de solo o que permitiu comprovar a sua integridade física. Os deslocamentos do solo foram máximos próximo ao topo do protótipo e na direção horizontal. Os resultados demonstram a viabilidade de estudar o comportamento do maciço reforçado a partir do comportamento do protótipo de solo grampeado construído em laboratório. / Soil nailing is an efficient soil reinforcement technique which uses inclusions, namely nails, in soil slopes. Unit skin friction is one of the most important parameters used in soil nailing design. The definition of this parameter is commonly based on local experience and correlations to some in situ tests. This work presents the results obtained from the pullout test carried out in a soil nailed wall prototype built in laboratory. Forces acting in nails were measured by strain gage instrumentation. Soil displacement was measured in short and long terms. The pullout tests were carried out after the application of a uniform surcharge given by a compressed air bag. The results showed that unit skin friction was about 145 kPa, mobilized with little nail displacements. About 90% of nail length were solicited during pullout tests, according to tests performed in strain gage instrumented nails. Nail extraction showed a high level of nail integrity. Soil displacements were higher close to the wall top, near the face. These results demonstrate the feasibility of using of laboratory prototype studies to investigate the geotechnical behavior of soil nailing structures.

O uso de sistemas de faceamento flexíveis com malhas metálicas é uma alternativa viável ao uso do concreto projetado como faceamento em sistemas de solo grampeado. Vários modelos de malhas são empregados hoje para este uso, sendo classificados pela resistência à tração no sentido longitudinal. Mesmo que relevante, segundo Cala et al., (2012), somente este dado é insuficiente para o correto dimensionamento destas soluções. A presente pesquisa busca identificar quais os parâmetros de resistência são necessários para o dimensionamento de um faceamento em malha metálica. Para tanto foram avaliadas duas metodologias desenvolvidas especificamente para as malhas aplicadas junto com a solução de solo grampeado, os métodos Ruvolum e Macro1. Foram então desenvolvidos equipamentos, similares aos utilizados por Roduner (2011) e Cala et al. (2012), para caracterizar 4 diferentes modelos de malhas, avaliando a resistência das mesmas frente aos esforços considerados nos modelos de cálculo investigados, tração e o cisalhamento no contato malha/grampo. Deste modo, foram utilizados resultados de ensaios em escala real com a simulação de um talude em solo tratado com as 4 malhas, para a validação dos métodos de dimensionamento, e para investigar quais os parâmetros de resistência da malha são mais importantes. Como resultado foram determinadas as resistências das malhas avaliadas, sendo a de tração no sentido longitudinal entre 50 e 140 kN, e a resistência no contato malha/grampo, que variou entre 10 e 30 kN. Por fim foi realizada uma análise paramétrica com o método Ruvolum a fim de verificar a influência na variação da coesão, espessura instável e ângulo de atrito, dados nem sempre bem definidos em projeto. Os resultados mostram, como era esperado, a grande sensibilidade da variação nos resultados frente aos efeitos da coesão, sendo então recomendado, como em qualquer análise de estabilidade cautela no uso deste parâmetro. A análise destes resultados permite concluir que o método mais adequado para modelar um talude em solo grampeado com face em tela foi o Ruvolum, com previsões que se aproximaram das medições reais dos ensaios de campo. / The use of flexible facing systems with steel meshes is a viable alternative to the use of shotcrete as facing in soil nailing systems. Currently several different models meshes are being used today for this purpose, being classified only by the tensile strength in the longitudinal direction of the mesh. Even though this parameter is quite relevant, alone it cannot be used to design the flexible facing systems. So this research aims to identify which steel mesh strength parameters are really needed for the correct dimensioning of such solutions. In order to do so two calculation methodologies, specially developed for steel meshes design, were investigated. The design models are called Ruvolum and Macro1 Equipments were developed, similar to those presented in Cala et al. (2012), to investigate four different models of mesh, in order to find the strength parameters presented on the studied calculation models, being than tensile and shear. Thus, to validate the investigated design methodologies, field tests results were compared to the models predictions. As product of the research it was possible to determine the tensile strength of the 4 meshes models, being then ranging from 50 and 140 kN. Also it was possible to define the shear resistance in the nail head/mesh contact, which ranges from 10 to 30 kN. The last step of the research was a parametric analysis, performed with the Ruvolum method to evaluate the influence on the variation of cohesion, unstable thickness and friction angle in the predictions, since this data aren’t always available in ordinary projects. These analysis have showed that the most influent parameter is cohesion, one that is very hard to determine. Also it was found by the results analysis that the appropriate calculation model to simulate a slope stabilized with soil nail and steel meshes facing is the Ruvolum, due the closeness of the predictions to the real field data.

Os métodos de equilíbrio limite comumente utilizados no dimensionamento de estruturas de solo grampeado não oferecem informação sobre as tensões e deformações na estrutura. No entanto, o êxito da técnica pressupõe deslocamentos para que a resistência dos grampos seja mobilizada. Portanto, seria desejável conhecer: os deslocamentos que a estrutura. sofre durante e depois de realizado o processo da escavação; os esforços mobilizados nos grampos; e a distribuição de tensões atrás da parede da escavação. A importância deste estudo é maior em situações em que a previsão do comportamento é a responsável por garantir a segurança de construções e de instalações de serviço público próximas às escavações grampeadas. Análises bidimensionais e tridimensionais de tensão-deformação com elementos finitos foram realizadas para um melhor entendimento do comportamento da estrutura. As comparações dos resultados das modelagens numéricas permitiram conhecer várias vantagens e desvantagens de um e de outro tipo de modelagem. Realizaram-se também comparações entre resultados de modelagens numéricas que utilizaram os seguintes modelos constitutivos: elasto-plástico (com critério de ruptura de Mohr-Coulomb), hiperbólico e elástico-linear, sendo que para este último realizou-se uma análise incremental. Para a aplicação do modelo elástico-linear foi necessária a divisão do maciço em regiões em função do tipo de trajetória de tensão. Essas comparações permitiram concluir que, desde que com a correta especificação dos parâmetros elásticos, a modelagem baseada na Teoria da Elasticidade pode representar bem o comportamento de escavações grampeadas. / The limit equilibrium methods that are frequently used for design of soi nailing structures do not provide information about the structure\'s stress and strain. However, the technique\'s success depends on the displacements that mobilize the nails strength. Therefore it is desirable to predict the structure\'s displacement, during and after the excavation; the forces avting on nails; and the stress distribution behind the excavation wall. This study has its importance increased in situations in which the prediction of the behavior is needed to guarantee the safety of adjacent buildings and municipal installations near to the excavation. Three dimensional and two-dimensional fine element stress-strain analyses were carried out for a better understanding of the behavior of the structure. Comparisons of the results of different numerical models led to a clear picture of advantages and disadvantages of different approaches. Numerical comparisons were also carried out between analyses with different constitutive models: elasto-plastic (Mohr-Coulomb), hyperbolic and incremental linear elastic. Application of the linear elastic model required the division of the soil mass in regions, according to stress path. Those comparisons led to the conclusion that, given correctly specified elastic parameters, Theory of Elasticity is able to correctly model the behavior of nailed excavations.