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.

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.

Column-supported embankments (CSE) enable accelerated construction on soft soils, high performance, and protection of adjacent facilities. The foundation columns transfer embankment and service loading to a competent stratum at depth such that loading on the soft soil can be reduced. This has the beneficial effects of reducing settlement and lateral displacement, and improving stability. Selection of column type depends on the design load, cost, constructability, etc., although unreinforced concrete columns are commonly used. A load transfer platform (LTP) is often included at the embankment base. This is a layer of coarse-grained fill that may include one or more layers of geosynthetic reinforcement. The LTP improves vertical load transfer to columns by mobilizing the shear strength of the LTP fill and the membrane effect of the geosynthetic. The geosynthetic reinforcement also responds in tension to lateral spreading. Herein, lateral spreading is defined as the lateral displacements occurring in response to lateral earth pressures in the embankment and foundation. Excessive lateral spreading can lead to bending failure of the concrete columns, tensile failure of the geosynthetic reinforcement, and instability of the system. Design procedures recommend inclusion of geosynthetic reinforcement to mitigate lateral spreading, with assumptions for the lateral thrust distribution, failure mode, and calculation of geosynthetic tensile capacity. The necessity and sufficiency of these assumptions have not been fully validated. In addition, unreinforced concrete columns have low tensile strength and can fail in bending, but recommendations for calculating column bending moments are not available. This research examines the limitations in CSE lateral spreading design with the goal of advancing fundamental understanding of lateral spreading mechanics. The research was performed using three-dimensional finite difference analyses. Limiting conditions for lateral spreading analysis were identified using case history records, and an undrained-dissipated approach was validated for the numerical analysis of limiting conditions (i.e., undrained end-of-construction and long-term excess pore pressure dissipated). The numerical model was calibrated using a well-documented case history. Additional analyses of the case history were performed to examine the lateral earth pressures in the foundation, column bending moments, and geosynthetic contribution to resisting lateral spreading. A parametric study was conducted to examine the lateral thrust distribution in 128 CSE scenarios. A refined substructure model was adopted for analyzing peak geosynthetic tensions and strains. Lastly, failure analyses were performed to examine the effect of different CSE design parameters on embankment failure height, failure mode, and deformations. The research produced qualitative and quantitative information about the following: (1) the percent thrust resistance provided by the geosynthetic as a function of its stiffness; (2) the geosynthetic contribution to ultimate and serviceability limit states; (3) the change in lateral thrust distribution throughout the embankment system before and after dissipation of excess pore water pressures; (4) the column-soil interactions involved in embankment failure; and (5) identification of two failure modes in the undrained condition. Design guidance based on these findings is provided. / Doctor of Philosophy / Column-supported embankments (CSEs) have been designated by the Federal Highway Administration as a critical technology for new highway alignment projects and widening of existing highways. CSEs enable accelerated construction and high performance in weak soils, which are factors critical to project success. In a CSE, columns are installed in the weak soil, followed by rapid construction of the soil embankment that provides the necessary elevation and foundation for the roadway. The columns transfer most of the embankment and traffic loading to a competent soil stratum at depth. Concrete without steel reinforcement is commonly used to construct the columns, although material selection depends on cost, constructability, expected load, etc. Layers of geosynthetic reinforcement can also be included at the embankment base. The geosynthetics help to transfer loads to the columns and resist excessive movement that could lead to instability. The entire embankment system should be designed for safety and economy. This research was motivated by uncertainties in design to mitigate lateral spreading. Lateral spreading refers to lateral displacements occurring in response to lateral earth pressures in the embankment and foundation. Excessive lateral spreading can lead to failure of the columns, geosynthetic reinforcement, and the entire embankment system. This research aims to advance fundamental understanding of lateral spreading in CSEs and to re-evaluate current design assumptions. Corresponding design guidance is provided.

Pesquisas e projetos envolvendo a complexa interação de maciços rochosos com estruturas de suporte de túneis evoluem constantemente. A adoção de modelos numéricos sofisticados aliada ao desenvolvimento de computadores com capacidade de processamento crescente possibilitam representações mecânicas de processos complexos. Para análises geotécnicas, considerações de resistência, deformabilidade e condutividade hidráulica do maciço são encontradas em códigos computacionais com representações próximas das encontradas nas pesquisas experimentais de vanguarda da área. Por outro lado, estes mesmos códigos atribuem com frequência ao comportamento do concreto reforçado representações simplistas, muitas vezes com base na teoria da elasticidade. Implicações econômicas e de incerteza na avaliação da segurança decorrem desta forma de representação. Esta pesquisa visa a contribuir para análises da interação entre maciço e suporte de uma escavação subterrânea. Para tanto foram elaboradas simulações numéricas considerando técnicas consagradas de avaliação mecânica de uma escavação, aliadas a uma representação do concreto reforçado considerando o marcante efeito de fissuração. Com foco no comportamento do concreto foram desenvolvidas simulações numéricas de distintas estruturas de concreto reforçado selecionadas na literatura e que contam com boa instrumentação e caracterização mecânica adequada de seus materiais. Os resultados obtidos indicam a possibilidade da avaliação concomitante das complexas características do maciço assim como do concreto reforçado. Este fato contribui para a avaliação da segurança de uma escavação subterrânea com possíveis repercussões no custo das obras. / Research and projects involving the intricate interaction between rock mass and tunnel support structures constantly evolve. The adoption of sophisticated numerical models allied to the development of computers with an increasing processing capacity allows mechanical representations of complex processes. For geotechnical analysis, considerations on rock mass strength, deformability and hydraulic conductivity are found in computational codes with representations close to those found in vanguard experimental research of this subject. However, these same codes often attribute simplistic representations to reinforced concrete behavior, frequently based on elasticity theory. Economic and uncertainty implications in safety evaluation result from this sort of representation. This research aims to contribute to analysis of interaction between rock mass and support of an underground excavation. Thus, numerical simulations were elaborated considering established techniques of mechanical evaluation of excavations, allied to a reinforced concrete representation taking into account the prominent effect of cracking. Focused on the concrete behavior, there were developed numerical simulations of distinct reinforced concrete structures selected in literature and that rely on fair instrumentation and adequate mechanical characterization of the involved materials. The results indicate the possibility of concomitant evaluation of the rock mass complex character and the reinforced concrete. This fact contributes to safety evaluation of an underground excavation with potential repercussions on project cost.

Pesquisas e projetos envolvendo a complexa interação de maciços rochosos com estruturas de suporte de túneis evoluem constantemente. A adoção de modelos numéricos sofisticados aliada ao desenvolvimento de computadores com capacidade de processamento crescente possibilitam representações mecânicas de processos complexos. Para análises geotécnicas, considerações de resistência, deformabilidade e condutividade hidráulica do maciço são encontradas em códigos computacionais com representações próximas das encontradas nas pesquisas experimentais de vanguarda da área. Por outro lado, estes mesmos códigos atribuem com frequência ao comportamento do concreto reforçado representações simplistas, muitas vezes com base na teoria da elasticidade. Implicações econômicas e de incerteza na avaliação da segurança decorrem desta forma de representação. Esta pesquisa visa a contribuir para análises da interação entre maciço e suporte de uma escavação subterrânea. Para tanto foram elaboradas simulações numéricas considerando técnicas consagradas de avaliação mecânica de uma escavação, aliadas a uma representação do concreto reforçado considerando o marcante efeito de fissuração. Com foco no comportamento do concreto foram desenvolvidas simulações numéricas de distintas estruturas de concreto reforçado selecionadas na literatura e que contam com boa instrumentação e caracterização mecânica adequada de seus materiais. Os resultados obtidos indicam a possibilidade da avaliação concomitante das complexas características do maciço assim como do concreto reforçado. Este fato contribui para a avaliação da segurança de uma escavação subterrânea com possíveis repercussões no custo das obras. / Research and projects involving the intricate interaction between rock mass and tunnel support structures constantly evolve. The adoption of sophisticated numerical models allied to the development of computers with an increasing processing capacity allows mechanical representations of complex processes. For geotechnical analysis, considerations on rock mass strength, deformability and hydraulic conductivity are found in computational codes with representations close to those found in vanguard experimental research of this subject. However, these same codes often attribute simplistic representations to reinforced concrete behavior, frequently based on elasticity theory. Economic and uncertainty implications in safety evaluation result from this sort of representation. This research aims to contribute to analysis of interaction between rock mass and support of an underground excavation. Thus, numerical simulations were elaborated considering established techniques of mechanical evaluation of excavations, allied to a reinforced concrete representation taking into account the prominent effect of cracking. Focused on the concrete behavior, there were developed numerical simulations of distinct reinforced concrete structures selected in literature and that rely on fair instrumentation and adequate mechanical characterization of the involved materials. The results indicate the possibility of concomitant evaluation of the rock mass complex character and the reinforced concrete. This fact contributes to safety evaluation of an underground excavation with potential repercussions on project cost.