In this study, a typical mat foundation and structural loading pattern is considered. Three dimensional finite element analyses, PLAXIS 3D, is performed to determine the soil / foundation contact stress distribution, settlement distribution, distribution of modulus of subgrade reaction as a function of column spacing, stiffness of the soil and thickness of the foundation. A parametric study is performed to demonstrate the dependence of those distributions on various parameters. Moreover, a relationship between size of the foundation, deformation modulus of foundation soil and modulus of subgrade reaction is proposed. Depending on the variations in those parameters, obtained shear force and bending moment distributions are compared. Consistency between the resulting shear forces and bending moments of a typical foundation, modeled in two different three dimensional finite element programs, PLAXIS 3D and SAP 2000, is discussed. It is found that the variation in the aforementioned parameters cause different influences on contact stress distribution, settlement distribution, distribution of modulus of subgrade reaction. The importance of those variations in beforementioned parameters, under different situations is discussed. A relationship between modulus of subgrade reaction and deformation modulus of foundation soil is proposed.

Baigiamajame magistro darbe nagrinėjama geležinkelio pagrindo, tai yra žemės sankasų įrengimų technologija įvertinant vietos sąlygas. Sukuriami du žemės sankasų modeliai ant sauso pagrindo iš molingųjų ir drenuojančių gruntų, taip pat du modeliai durpynuose iš drenuojančių ir dulkingųjų gruntų, kurių gylis 4 m. Remiantis šiuo metu egzistuojančiais įkainiais buvo įvertintos pylimų iš skirtingų gruntų įrengimo kainos. Pylimams ant sauso pagrindo buvo sudarytas daugiakriteris sprendimo priėmimo uždavinys ir išspręstas 4 būdais: SAW, AHP, TOPSIS, MCDM-23. Naujausi darbai esantys mokslinių duomenų bazėse, Lietuvos institucijų pateikiama informacija, bei kita medžiaga internete tiriama analizės būdu; alternatyvų rodiklių reikšmės nustatomos remiantis praktika, bei kokybiniais mokslinio tyrimo metodais. Atlikus tyrimus priėita išvada, kad žemės sankasas 1 – o tipo geležinkeliams ant tvirto pagrindo arba pelkėse ekonomiškiau įrenginėti i�� dulkingųjų ar molingųjų gruntų. Darbą sudaro 7 dalys: 1) įvadas, 2) geležinkelių sankasų įrengimo reikšmė, 3) sankasų įrengimo technologinės alternatyvos, 4) skirtingų sankasų įrengimo technologijų modeliavimas, 5) daugiakriterių sprendimų priėmimo metodų aptarimas ir parinkimas, 6) išvados, 7) literatūros sąrašas. Darbo apimtis – 101 puslapių. / The master thesis covers the analysis of technology regarding the rail foundation or rail bed mounting in consideration of local conditions. Two rail bed models are designed over the dry foundation made of clayey and drained soil as well as two models in peatery made of drained and dusty soil at a depth of 4 m. The prices for mounting of embankment by using various soils were estimated with reference to the current prices. The thesis defined a multiple criteria task concerning the embankments over the dry foundation, which was solved in four ways: SAW, AHP, TOPSIS, MCDM-23. The new articles in academic databases, the information provided by Lithuanian institutions, and other material found in the Internet were examined with a help of analysis: the values of alternative indexes are determined in accordance to the practice and qualitative research methods. Research revealed that it is more efficient to mount the rail beds by utilizing drained and dusty soil over the solid foundation or in the peatery in case of the rails of the 1st type. The thesis consist of 7 sections: 1) introduction, 2) the importance of rail beds mounting, 3) technological alternatives for the rail beds mounting, 4) modeling of technologies for the different beds, 5) selection and consideration of multiple criteria solutions, 6) conclusions, 7) reference list. Thesis consist of 101 pages.

O comportamento mecânico do subleito tem influência determinante no desempenho das estruturas de pavimento. Porém, muitas vezes, os estudos realizados para elaboração de projetos são simplistas e não levam em conta as variações de comportamento mecânico que podem ocorrer, seja por fatores construtivos, seja ambientais, como umidade, durante o período de operação. Neste sentido, métodos de dimensionamento mecanicistas-empíricos de estruturas de pavimentos empregam modelos de comportamento das diversas camadas da estrutura e do subleito, sendo alvos de constantes revisões para recalibração destes modelos, de modo que se aproximem mais da realidade do comportamento em serviço. As calibrações dos modelos são necessárias para aumentar a confiabilidade do dimensionamento de modo a garantir pavimentos mais duráveis, e para otimizar custos de execução e de manutenção ao longo da vida útil das estruturas. Neste contexto o presente trabalho propõe uma metodologia para compreender as propriedades dos solos do subleito e de suas variações, estabelecendo um programa de ensaios de campo e de laboratório, cadastramento, processamento e combinação de resultados de propriedades físicas e mecânicas de solos de subleitos de pavimentos de rodovias existentes. O objetivo final é estabelecer parâmetros de deformabilidade elástica de solos do subleito e sua variabilidade para auxiliar no dimensionamento de novas estruturas de pavimentos e reabilitação das antigas. O trabalho utiliza estudos de casos de pavimentos rodoviários em operação. O primeiro caso foi base para o estabelecimento metodológico de estudo desejável do subleito de um pavimento existente, concebendo modelos de previsão de comportamento resiliente do subleito para uso em futuros projetos de restauração deste pavimento ou para novos projetos em locais com similaridade de ocorrência de solos. Empregando a metodologia estabelecida no primeiro caso, fez-se uma busca minuciosa de dados em vários documentos existentes sobre pavimentos rodoviários de concessionárias do Estado de São Paulo, concebendo-se um banco de dados para análise do subleito destes pavimentos, de modo a ampliar a gama de solos pesquisados. Com resultados de caracterização de solos em laboratório e de deflectometria em campo, além de dados de localização dos pontos estudados em mapas geológicos e pedológicos, dados de precipitação, de terraplenagem, entre outros, pôde-se analisar os dados e identificar a influência de cada elemento na variação do módulo de resiliência dos solos de fundação de pavimentos em serviço. O banco de dados de ensaios laboratoriais de solos de subleito contou com um total de 3.894 registros e de ensaios não destrutivos deflectométricos de campo com um total de 169.525 registros (dados históricos de nove rodovias estaduais diferentes). Dentre as principais conclusões, verificou-se que grande parte dos modelos de correlações existentes na literatura entre parâmetros de propriedades físicas e de resistência (como CBR) de solos com o módulo de resiliência possui aplicação muito restrita, inviabilizando sua aplicação de forma indiscriminada em locais distintos daqueles onde foram obtidas as correlações. Além disso, verificou-se que o módulo de resiliência do subleito em campo apresenta variações de grande magnitude e, portanto, é de difícil previsão, requerendo acumulação de dados históricos, bem como de um cadastro adicional de maior gama de informações. Recomenda-se que maiores quantidades de ensaios sejam realizadas e que permitam verificação, ou dupla checagem, para validação, bem como para futuramente ser possível o estabelecimento de modelos matemáticos mais confiáveis. Nos estudos, foi possível estabelecer parâmetros estatísticos que podem ser utilizados tanto em métodos de dimensionamento vigentes ou novos, como naquelas que consideram as variações do módulo de resiliência do subleito para determinação do risco de falha, ou da confiabilidade das estruturas. / Subgrade mechanical behavior has a determining influence on the performance of pavement structures. However, often, the studies carried out for project designs are simplistic and do not take into account the variations that can occur in the mechanical behavior, whether by constructive factors or environmental ones, such as the moisture content during the operation period. Thus, mechanical-empirical design methods of pavement structures employ performance models of the many layers of the structure and of the subgrade, being targets of constant revisions for adjustment of these models so that they come closer to reality in operation behavior. Model adjustments are necessary to increase design reliability to ensure more durable pavements and to optimize execution and maintenance costs during the structure life. In this context, the present work proposes a methodology to understand the subgrade soil properties and their variations, establishing a program of field and laboratory tests, registration, processing and combination of results of physical and mechanical properties of subgrade soils of existing highway pavements. The final objective is to establish parameters of the subgrade soil elastic deformability and their variability to assist in the design of new pavement structures and in the rehabilitation of old ones. This work uses case studies of road pavements in operation. The first case was the basis for the methodological establishment of a desirable study of the subgrade of an existing pavement, designing predictive models of the subgrade resilient behavior for use in future rehabilitation projects of this pavement or for new projects in places with a similar occurrence of soils. By using the methodology established in the first case, a thorough data search was carried out in several existing documents on road pavements of concessionaires in the State of São Paulo, and a database was prepared to analyze the subgrade of such pavements in order to expand the range of soils studied. With the results of soil characterization in the laboratory and by field deflections, in addition to location data of the points studied in geological and pedological maps, precipitation and earthwork data, among others, it was possible to analyze the data and identify the influences of each element on the variation of the subgrade resilient modulus of the pavements in operation. The database from laboratory tests of subgrade soils covered a total of 3,894 registers and of non-destructive deflectometric field tests - a total of 169,525 registers (historical data on nine different state highways). Among the main conclusions, it was verified that most of the correlation models existing in the literature between parameters of physical and mechanical strength properties (like the CBR) of soils with the resilient moduli have very restricted application, making it impossible to apply them indiscriminately in places other than those where the correlations were obtained. In addition, it was verified that the resilient modulus of the subbase in situ presents variations of great magnitude and, therefore, it is difficult to make predictions. Lots of historical data are required, as well as additional registers of a greater range of information. Therefore, it is recommended that a larger number of tests be performed in order to allow for checking and double-checking for validation as well as the possibility of a future establishment of more reliable mathematical models. In the studies, it was possible to establish statistical parameters that can be used both in current and in new design methods, like in those that consider variations of the subgrade resilient moduli to determine the risk of failure or of the reliability of structures.

The Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide (MEPDG) which is widely used for the rational design of pavements has three different design levels (i.e., Level 1, Level 2, and Level 3) that are typically based on the resources and the level of risk associated for a given project. Specifically, Level 2 design requires the estimation of the resilient modulus, MR (which is the key parameter in the mechanistic design procedures) from simple experiments such as the California Bearing Ratio (CBR), Unconfined Compressive Strength (UCS) and R-value tests. In this study, a technique is proposed for estimation of MR from CBR that can be used in Level 2 designs of pavements. The California Bearing Ratio (CBR) is a relatively inexpensive laboratory test which provides a measure of the strength of a soil. The CBR test can easily be performed as the experimental procedure is relatively straightforward to execute. The CBR test procedure widely used and is simple, however the fundamental engineering principles governing CBR tests do not realistically describe the mechanical behavior of pavements. Due to this reason, there has been a significant interest to design pavements using a mechanistic approach such as the resilient modulus (MR). The MR test method provides an indication of the stiffness of pavement materials under cyclic loads, which closely represents the typical loading conditions that are experienced by pavements. MR is a reliable method as it considers the cyclic loading (i.e., resilient response) of pavements. However, it has one major drawback as the triaxial testing equipment used for measurement of the MR is relatively costly, testing is complex and requires trained professional to perform them. The CBR and MR are both used in present day practice to evaluate the strength of pavement materials. However, the CBR is widely used because of its relatively low cost and the vast experience with its use in the design of pavements. The common trend in today’s practice is to estimate the MR from CBR as evident in most pavement design procedures used around the world. For instance, the Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide (AASHTO 2008) suggests that the MR may be estimated from standard tests like the CBR for design of Level 2 pavements. Numerous studies in the literature propose relationships between CBR and MR, but only a hand full of these studies takes account of the effect of matric suction, 𝜓 which is a key stress state variable that describes the rational behavior of unsaturated soils. This thesis document includes the explanation of a modified CBR test equipment capable of measuring unsaturated properties (𝜓 and water content) of specimens subjected to wetting and drying. In addition, some correlations were developed using the measured CBR data and the data of MR from other studies. The results provide useful information for Level 2 mechanistic-empirical design of pavement structures for various soils in the province of Ontario.

In this research study, a strategy was used for assigning stiffness values to various layers of the pavement system so that there are negligible tensile stresses in the subgrade and base layers. The stiffnesses of the aggregate base layers were assigned double the values of the corresponding subgrade materials. The layer thicknesses were designed to achieve surface deflection values within the acceptable limit. An innovative design procedure was developed for designing pavement sections covering various layer thicknesses, material and environmental variables. The designed sections were compared with the American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO) procedure and the differences were critiqued. Porous asphalt layer was used as the surface course for all pavement sections. The calculations validated the general principle of pavement design, as the subgrade stiffness decreased the base thickness increased for the same surface course thickness and traffic. Structural design of 63 pavements sections was accomplished representing various temperature and materials including additives. Low Density Polyethylene, performance graded asphalt, different soils, aggregates, lime and cement were the component materials utilized in this research study. An explanation on the mechanics of the mixtures is given in the results and discussion section. / Civil Engineering

Vid beräkning av grundkonstruktioner tillämpas ofta Winkler-modellen där jorden ersätts med en fjäderbädd som motsvarar jordens styvhet, en så kallad bäddmodul. Samverkanseffekter försummas ofta i dagens sätt att ansätta bäddmoduler och konsekvensen av detta blir att oförutsedda dragspänningar uppstår. Syftet med undersökningen är att ge konstruktörer ett underlag så de kan välja en beräkningsmodell som ger beräkningsförutsättningar vid dimensionering av grundkonstruktioner som tar hänsyn till samverkanseffekter. Målet är att påvisa hur samverkanseffekter och ansättning av bäddmodul påverkar delar av grundkonstruktionen med hänsyn till moment. Tre olika metoder för att beräkna bäddmoduler och två olika sätt att ansätta dessa har studerats med avseende på hur moment uppträder i grundkonstruktionen. Sex modeller har analyserats i datorprogrammet FEM-Design genom fyra valda sektioner i grundkonstruktionen. Resultatet visar att val av bäddmodul inte påverkar formen på momentkurvan men att det maximala momentet kan variera stort. Resultatet påvisar även att det uppstår zoner med dragspänning i konstruktionens överkant som en effekt av samverkan. / The Winkler-model is often applied when calculating foundation slabs. The model intend to replace the subgrade with a bedding of vertical springs that corresponds with the stiffness of the soil. The integration of the foundation slab is often neglected in todays approved methods of implementing subgrade modulus. The consequence of this overlook may cause unforeseen tensile stress in the foundation. The purpose of this study is to support engineers in their decision of choosing a model and provide proper conditions designing slabs taking into account for interplay of the whole foundation structure. The aim is to demonstrate how the interplay in the construction and the application of the subgrade modulus affects parts of the foundation regarding bending moment. Three different methods of calculating subgrade modulus and two ways of application have been studied with purpose to illustrate how bending moment appear in the structure. Four sections have been selected to represent the structural behavior to analyze six model cases in the FEM-Design program. The result indicates the choosing of subgrade modulus affect maximum value of bending moment although the appearance of the momentum curve are not affected. Results also show that zones of tensile stress occur at the top of the foundation as an effect of integration effects of the whole structure.

O objetivo deste trabalho é avaliar a influência da variação do teor de umidade no valor do módulo de resiliência (MR) de um solo argiloso de subleito, tendo em vista que este parâmetro é muito susceptível à variações climáticas ambientais. Foram realizados ensaios triaxiais cíclicos para se estimar o módulo de resiliência de corpos de prova ensaiados em diversas condições de umidade. Verificou-se que o MR é influenciado pela tensão desvio, de forma que aquele aumenta com o acréscimo desta. Constatou-se que os corpos de prova moldados na Wot e submetidos a trajetórias de secagem e umedecimento alcançaram valores de MR superiores e inferiores, respectivamente, ao se comparar com o MR de corpos de prova ensaiados na Wot. Este fato foi também observado para os corpos de prova moldados com massa específica seca máxima, em teores de umidade abaixo e acima do teor ótimo. Determinou-se, ainda, a sucção no solo através do método do papel filtro e levantou-se a sua curva característica. Verificou-se que à medida que a umidade aumenta, a sucção diminui. Observou-se que o valor do MR aumenta com o aumento da sucção no solo. Este crescimento é tanto maior quanto maior seja a tensão desvio aplicada. Foi possível determinar a relação entre o MR, a tensão desvio e o módulo tangente inicial (Eo), proveniente dos ensaios de compressão simples. Relacionou-se, também, o Eo e a sucção no solo. / The aim of this work is to evaluate the influence of moisture content variation in resilient modulus value (MR) of a subgrade clayey soil, considering that this parameter is very susceptible to environmental climatic variations. Cyclic triaxial tests were performed to acess resilient modulus of specimens tested in several moisture conditions. lt has been verified that MR is influenced by deviator stress, so that the former increases with the latter increases. lt has been confirmed that specimens molded in Wot and submited to a drying and moistening route reached MR values higher and lower, respectively, to compare with MR of specimens tested in Wot. This fact was also observed for the specimens molded with dry density, in moisture contents below and above of optimum moisture content. lt has been also determined the soil suction using filter paper method and it has been built its characteristic curve. lt has been verified that when moisture increases, the suction decreases. lt has been observed that MR value increases with the soil suction increase. This increase is as bigger as bigger the applied deviator stress be. lt was possible to determine the relationship between MR, deviator stress and parameters from compressive strength tests. lt has been related parameters from compressive strength tests and soil suction.

Na construção de rodovias, as condições de umidade e densidade observadas na compactação são, geralmente, próximas daquelas correspondentes ao pico da curva de compactação obtida no ensaio Proctor. É sabido que variações ambientais no decorrer da vida do pavimento podem alterar, de maneira significativa, a umidade do subleito e dos seus componentes e assim, as suas propriedades resilientes. O objetivo principal desta pesquisa é avaliar a influência da variação da umidade pós-compactação no módulo de resiliência de solos de rodovias do interior paulista a partir de resultados de ensaios de laboratório. Foram coletados e caracterizados setenta e três solos, e, dentre estes, selecionados trinta para a etapa de estudo da variação da umidade pós-compactação, após a realização de ensaios MCT, difração de raios-x, microscopia eletrônica de varredura e azul de metileno para determinação da gênese. Os solos selecionados apresentam características distintas quanto à gênese, sendo metade laterítico e metade não-laterítico. Os corpos-de-prova foram compactados na umidade ótima e submetidos a processos de secagem e umedecimento e, posteriormente, realizados ensaios triaxiais cíclicos. Os resultados permitiram a modelagem do 'M IND.R' em função do estado de tensão para diferentes umidades e a avaliação da competência de alguns modelos matemáticos nesta representação. Estudou-se a influência da gênese e da granulometria sobre o valor do 'M IND.R' e avaliou-se a conseqüência da variação da umidade sobre este para solos lateríticos e não-lateríticos. Determinou-se uma expressão para estimar a variação do 'M IND.R' com a variação da umidade a partir do parâmetro k1, independentemente do estado de tensão. Pesquisou-se a existência de relações entre os parâmetros de regressão do modelo composto e os resultados dos ensaios de compressão simples e as propriedades físicas dos solos, de forma a permitir a estimativa do módulo de resiliência a partir do resultado de ensaios mais simples. Investigou-se a possibilidade de se utilizar as relações entre a variação do módulo tangente inicial com a variação da umidade para estimar os efeitos sobre o 'M IND.R'. / On road construction, the field compaction conditions are usually close to those determined from Proctor tests. Environmental variations may lead to changes in the pavement moisture and also changing its resilient properties. The main objective of this research is to study the influence of post-compaction moisture content variation on the resilient modulus of soils from São Paulo state pavements, using laboratory tests. To accomplish this objective, seventy three soils samples were collected and characterized. Among them, thirty samples were selected, after four different tests were carried out to determine the soils genesis, to study the post-compaction moisture content variation. Half of these selected soils are lateritic ones, and the other half are non-lateritic soils. The specimens were compacted at optimum moisture content and submitted to drying and moistening processes prior cyclic triaxial test to be carried out. The results allowed the resilient modulus modeling as a function at the stress state and the performance evaluation of five different models. The genesis and grain size distribution influence on the resilient modulus values were studied. The effects of moisture content variations on lateritic and non-lateritic soils were investigated. An expression to estimate the resilient modulus variations with the moisture variations was determined, independently of the stress state. The existence of relations of the compound model regression parameters with the results of unconfined compressive strength and soil properties were studied. The possibility of using the initial tangent modulus variations with the moisture variations to estimate the effects on the resilient modulus were also investigated.

O objetivo deste trabalho é avaliar a influência da variação do teor de umidade no valor do índice de suporte CBR de uma brita estabilizada granulometricamente e de seis solos coletados em rodovias do interior do Estado de São Paulo. Os seis solos estudados foram divididos em três pares, com curvas granulométricas próximas, mesma classificação HRB e USCS, sendo cada par formado por um solo de comportamento laterítico e um solo de comportamento não-laterítico. Os corpos-de-prova foram moldados na umidade ótima e massa específica seca máxima obtidos com os resultados do ensaio de Proctor normal. Os materiais foram analisados sob quatro condições de umidade: sem imersão, após alcançar metade da umidade de estabilização, após quatro e oito dias de imersão. Observou-se a distribuição da umidade interna dos corpos-de-prova para cada uma das situações. Foi analisada a influência do envelhecimento dos materiais solto e compactado por quatro dias e sem imersão, nos resultados dos ensaios de CBR. Com os resultados pôde-se correlacionar a influência da granulometria e da gênese dos materiais nos resultados dos ensaios de índice de suporte CBR nas diversas condições de umidade avaliadas. / The aim of this dissertation is to evaluate the variation influence of the moisture content on the value of the CBR support index of a granulometrically stabilized crushed stone and six soils. The soils studied were divided into three pairs with similar particle size distribution curves and same HRB and USCS classification. Each pair is formed by a soil of lateritic and non-lateritic behaviors. The specimens were moulded in the optimum moisture content and maximum dry density obtained from the results of the standard Proctor tests. The materials were analysed under four moisture conditions: without immersion, after reaching half of the stabilization moisture, and after four and eight days of immersion. The internal moisture distribution of the specimens was observed for each situation. The internal distribution moisture was observed for each situation. The influence of the aging of the loose and compacted materials was analysed for four days without immersion in the test results of CBR. According to the results it was possible to correlate the influence of both granulometry and genesis of the materials on test results of CBR support index in the diverse moisture conditions evaluated.

Este trabalho parte de um acervo pré-existente de provas de carga em placa (segundo os procedimentos ABNT-NBR-6489 e ASTM-D-1196) em solos da Formação Guabirotuba, importante unidade geológica da região metropolitana de Curitiba. O objetivo do trabalho é favorecer o entendimento destes solos no que diz respeito à sua competência como subleito para pavimentos industriais rígidos. É realizada uma revisão sobre modelos de fundação de pavimento, aspectos geológicos e geotécnicos da Formação Guabirotuba, e métodos de determinação do coeficiente de recalque. A análise baseia-se no coeficiente de recalque \"k\" obtido em trinta e duas provas de carga em placa e utiliza uma classificação prática dos solos, quanto ao seu nível de intemperismo: argilas cinzas \"inalteradas\", argilas vermelhas \"laterizadas\" e argilas variegadas \"intemperizadas\", as quais mostram valores decrescentes de coeficiente de recalque, nessa ordem. Notou-se que algumas correlações existentes na literatura permitiram obter razoáveis previsões do coeficiente de recalque, como aquelas baseadas em valores de SPT e de CBR. Os valores de coeficiente de recalque medidos para estes solos mostram-se superiores àqueles sugeridos por tabelas práticas. Devido à variabilidade de resultados encontrada e à influência do subleito no desempenho final do sistema de fundação, fica evidenciada a importância da realização de provas de carga em placa para obtenção dos parâmetros de dimensionamento de pavimentos industriais rígidos. / The present work employs a data base of plate load tests (performed according the ABNT-NBR-6489 and ASTM-D-1196 procedures) in soils of the Guabirotuba Formation, important geological unit of Curitiba metropolitan region. The purpose of the work is the improving of the knowledge of these soils related to their behavior as subgrade for rigid industrial pavements. It is provided a revision about pavements foundation models, geological and geotechnical aspects of the Guabirotuba Formation and methods of the determination of the modulus of subgrade reaction. The analysis is based on the modulus of subgrade reaction \"k\" from 32 plate loading tests and uses a practical classification of the soils, according to their weathering level: intact gray clays, lateritic red clays and weathered variagate clays that showed a derease of the modulus in this order. Some correlations were found to predict fair values of \"k\", such as those based on SPT and on DCP. It was also noticed that the values of the modulus of subgrade reaction obtained are higher than the usual recommendations of the literature. The variability and the influence of the subgrade in the final performance of the pavaments make evident the importance of the plate load tests for obtaining reliable design parameters.