Em muitas partes do mundo, engenheiros geotécnicos freqüentemente lidam com solos não saturados, e o desempenho de obras nestes solos depende de suas características mecânicas, como a resistência ao cisalhamento. A determinação experimental da resistência de solos não saturados pode ser feita em laboratório utilizando técnicas que permitem controle ou medida da sucção, sendo uma delas o ensaio de compressão triaxial com teor de umidade constante. Neste contexto, essa pesquisa analisa a resistência ao cisalhamento de um solo arenoso compactado não saturado por meio de ensaios de compressão triaxial. Ensaios do tipo adensado-drenado e adensado-não drenado foram realizados com solo saturado, enquanto ensaios com teor de umidade constante foram realizados para caracterizar o comportamento do solo não saturado. Os resultados dos ensaios com solo saturado foram combinados e forneceram uma envoltória de resistência comum em termos de tensões efetivas. Para o solo não saturado, as curvas tensão-deformação foram representadas pela diferença de tensões principais e por esta normalizada por algumas das variáveis de estado de tensão do solo. Tais curvas se assemelham a curvas típicas de um material plástico, com exceção das obtidas para a menor tensão confinante, nas quais se observou a ocorrência de picos de resistência. Já a sucção apresentou um comportamento comum a todos os ensaios, com redução inicial seguida de estabilização. As diferentes representações da curva tensão-deformação permitiram definir superfícies planares de resistência no espaço tensão x sucção x resistência, nas quais foram observadas pequenas variações nos valores de coesão efetiva e ângulo de atrito com relação à sucção. Apesar do bom ajuste destas envoltórias planares, os resultados mostraram alguma não-linearidade. Por fim, testaram-se os métodos de Khalili e Khabbaz (1998) e Vilar (2007) de previsão da resistência ao cisalhamento de solos não saturados. / In many parts of the world, geotechnical engineers frequently deal with unsaturated soils, and the performance of constructions on such soils depends on their mechanical characteristics, and among them, the shear strength. The unsaturated soil shear strength can be experimentally determined by using techniques which allow soil suction control or measurement and one of the available techniques is the constant water content triaxial compression test. In this context, this research analyzes the shear strength of an unsaturated compacted sandy soil using triaxial compression tests. Consolidated-drained and consolidated-undrained triaxial compression tests were performed with the saturated soil, while constant water content triaxial compression tests were performed to characterize the unsaturated soil behavior. Results of tests with saturated soil were gathered and yielded a common shear strength envelope in terms of effective stress. Regarding the unsaturated soil, the stress-strain curves were represented by the deviator stress and the deviator stress normalized by some stress state variables of the soil. Such curves were similar to typical curves of a plastic material, except for those obtained for the lower confining pressure, in which peak of stress were observed. Suction development during shearing presented a common behavior to all the tests, with initial reduction followed by stabilization. The different representations of stress-strain curves allowed defining shear strength planar surfaces on stress x suction x strength space, which showed small variations of effective cohesion and angle related to suction. Despite of the good adjustment of these planar shear strength envelopes, the results showed some non-linearity. Finally, the methods proposed by Khalili and Khabbaz (1998) and Vilar (2007) for predicting the shear strength of unsaturated soils were tested.

The use of Digital Image Correlation (DIC) technique has become increasingly popular for displacement measurements and for characterizing localized material deformation. In this study, a three-dimensional digital image correlation analysis (3D-DIC) was performed to investigate the displacements on the surface of isotropically consolidated and drained sand specimens during triaxial compression tests. The deformation of a representative volume of the material captured by 3D-DIC is used for the estimation of the kinematic and volumetric conditions of the specimen at different stages of deformation, combined with the readings of the global axial compression of the specimen. This allowed for the characterization of a Mohr-Coulomb plasticity model with hardening and softening laws. In addition, a two-dimensional axisymmetric finite element model was built to simulate the actual experimental conditions, including both the global and local kinematics effects captured by 3D digital image correlation analysis on the boundary of the specimen. A comparison between the axisymmetic model predictions and the experimental observations showed good agreement, for both the global and local behavior, in the case of different sand specimen configuration, including loose, dense and half-loose half-dense specimens.

O crescente aumento das cargas transportadas pelos caminhões e a utilização de pneus radiais têm contribuído para a degradação prematura dos pavimentos asfálticos. Uma das patologias que passaram a ser comuns nos revestimentos asfálticos, logo após a abertura ao tráfego, é o trincamento que inicia no topo da camada e se propaga para baixo, denominado top-down cracking (TDC). Sabe-se que este trincamento é uma manifestação da ruptura por cisalhamento. Neste sentido, este trabalho visa avaliar a resistência ao cisalhamento de misturas asfálticas em laboratório, a partir da mudança da curva granulométrica. Para isso, foram analisadas duas misturas com ligante convencional CAP 50/70, sendo uma com curva granulométrica densa graúda e outra densa miúda, de acordo com a metodologia Bailey. Foram realizados ensaios de compressão triaxial a 35 e a 45°C em corpos de prova de 100 mm de diâmetro e ~188 mm de altura, os quais foram moldados no compactador giratório. A partir disso, obtiveram-se dados de coesão e de ângulo de atrito das misturas estudadas. Foi verificado que, como era de se esperar, aumentando-se a temperatura de ensaio, reduz-se a coesão de ambas as misturas. Na mistura graúda a coesão passou de 784 para 307 kPa e na mistura miúda de 838 para 401 kPa. Além disso, os resultados indicam que o ângulo de atrito da mistura graúda é maior, como se esperava, e a coesão é menor. Comparando a resistência ao cisalhamento da mistura graúda com as tensões cisalhantes geradas no revestimento de estruturas de pavimentos modeladas no software de elementos finitos Abaqus, foi verificado que as tensões são superiores. Porém não é possível afirmar que não haveria manifestação de TDC nas condições climáticas e carregamento empregados na análise. / The increasing of load transported by trucks and the use of radial tires have contributed for early asphalt pavements failure. One of the distresses that has been frequent in asphalt layers, shortly after opening to traffic, is the cracking that begins at the top of the pavement and propagates down, named top-down cracking (TDC). It is known that this cracking mode can be related to shear failure. Thus, this study aims to evaluate the asphalt mixtures shear strength in a laboratory, from the size distribution change. For this, two mixtures with conventional binder were analyzed, both have dense size distribution, but one coarse-graded and the other fine-graded, following the Bailey method. Triaxial compression test were conducted at 35 and 45°C in specimens with diameter of 100 mm and height of ~188 mm, which were prepared in a gyratory compactor. From this investigation, data for cohesion and friction angle of the studied mixtures were obtained. It was found that, as expected, increasing the test temperature, reduces the cohesion of both mixtures. In the coarse-graded mixture the cohesion reduced from 784 to 307 kPa and fine-graded from 838 to 401 kPa. Furthermore, the results indicate that the coarse mixture friction angle is greater, as expected, and cohesion is smallest. Comparing the coarse mixture shear strength with the shear stresses generated in the coating of pavement structure modeled in the finite element software Abaqus, it was verified that the stress are higher. However it is not possible to assert that there was no manifestation of TDC for the climatic conditions and load proposed in the analysis.

O crescente aumento das cargas transportadas pelos caminhões e a utilização de pneus radiais têm contribuído para a degradação prematura dos pavimentos asfálticos. Uma das patologias que passaram a ser comuns nos revestimentos asfálticos, logo após a abertura ao tráfego, é o trincamento que inicia no topo da camada e se propaga para baixo, denominado top-down cracking (TDC). Sabe-se que este trincamento é uma manifestação da ruptura por cisalhamento. Neste sentido, este trabalho visa avaliar a resistência ao cisalhamento de misturas asfálticas em laboratório, a partir da mudança da curva granulométrica. Para isso, foram analisadas duas misturas com ligante convencional CAP 50/70, sendo uma com curva granulométrica densa graúda e outra densa miúda, de acordo com a metodologia Bailey. Foram realizados ensaios de compressão triaxial a 35 e a 45°C em corpos de prova de 100 mm de diâmetro e ~188 mm de altura, os quais foram moldados no compactador giratório. A partir disso, obtiveram-se dados de coesão e de ângulo de atrito das misturas estudadas. Foi verificado que, como era de se esperar, aumentando-se a temperatura de ensaio, reduz-se a coesão de ambas as misturas. Na mistura graúda a coesão passou de 784 para 307 kPa e na mistura miúda de 838 para 401 kPa. Além disso, os resultados indicam que o ângulo de atrito da mistura graúda é maior, como se esperava, e a coesão é menor. Comparando a resistência ao cisalhamento da mistura graúda com as tensões cisalhantes geradas no revestimento de estruturas de pavimentos modeladas no software de elementos finitos Abaqus, foi verificado que as tensões são superiores. Porém não é possível afirmar que não haveria manifestação de TDC nas condições climáticas e carregamento empregados na análise. / The increasing of load transported by trucks and the use of radial tires have contributed for early asphalt pavements failure. One of the distresses that has been frequent in asphalt layers, shortly after opening to traffic, is the cracking that begins at the top of the pavement and propagates down, named top-down cracking (TDC). It is known that this cracking mode can be related to shear failure. Thus, this study aims to evaluate the asphalt mixtures shear strength in a laboratory, from the size distribution change. For this, two mixtures with conventional binder were analyzed, both have dense size distribution, but one coarse-graded and the other fine-graded, following the Bailey method. Triaxial compression test were conducted at 35 and 45°C in specimens with diameter of 100 mm and height of ~188 mm, which were prepared in a gyratory compactor. From this investigation, data for cohesion and friction angle of the studied mixtures were obtained. It was found that, as expected, increasing the test temperature, reduces the cohesion of both mixtures. In the coarse-graded mixture the cohesion reduced from 784 to 307 kPa and fine-graded from 838 to 401 kPa. Furthermore, the results indicate that the coarse mixture friction angle is greater, as expected, and cohesion is smallest. Comparing the coarse mixture shear strength with the shear stresses generated in the coating of pavement structure modeled in the finite element software Abaqus, it was verified that the stress are higher. However it is not possible to assert that there was no manifestation of TDC for the climatic conditions and load proposed in the analysis.

Em muitas partes do mundo, engenheiros geotécnicos freqüentemente lidam com solos não saturados, e o desempenho de obras nestes solos depende de suas características mecânicas, como a resistência ao cisalhamento. A determinação experimental da resistência de solos não saturados pode ser feita em laboratório utilizando técnicas que permitem controle ou medida da sucção, sendo uma delas o ensaio de compressão triaxial com teor de umidade constante. Neste contexto, essa pesquisa analisa a resistência ao cisalhamento de um solo arenoso compactado não saturado por meio de ensaios de compressão triaxial. Ensaios do tipo adensado-drenado e adensado-não drenado foram realizados com solo saturado, enquanto ensaios com teor de umidade constante foram realizados para caracterizar o comportamento do solo não saturado. Os resultados dos ensaios com solo saturado foram combinados e forneceram uma envoltória de resistência comum em termos de tensões efetivas. Para o solo não saturado, as curvas tensão-deformação foram representadas pela diferença de tensões principais e por esta normalizada por algumas das variáveis de estado de tensão do solo. Tais curvas se assemelham a curvas típicas de um material plástico, com exceção das obtidas para a menor tensão confinante, nas quais se observou a ocorrência de picos de resistência. Já a sucção apresentou um comportamento comum a todos os ensaios, com redução inicial seguida de estabilização. As diferentes representações da curva tensão-deformação permitiram definir superfícies planares de resistência no espaço tensão x sucção x resistência, nas quais foram observadas pequenas variações nos valores de coesão efetiva e ângulo de atrito com relação à sucção. Apesar do bom ajuste destas envoltórias planares, os resultados mostraram alguma não-linearidade. Por fim, testaram-se os métodos de Khalili e Khabbaz (1998) e Vilar (2007) de previsão da resistência ao cisalhamento de solos não saturados. / In many parts of the world, geotechnical engineers frequently deal with unsaturated soils, and the performance of constructions on such soils depends on their mechanical characteristics, and among them, the shear strength. The unsaturated soil shear strength can be experimentally determined by using techniques which allow soil suction control or measurement and one of the available techniques is the constant water content triaxial compression test. In this context, this research analyzes the shear strength of an unsaturated compacted sandy soil using triaxial compression tests. Consolidated-drained and consolidated-undrained triaxial compression tests were performed with the saturated soil, while constant water content triaxial compression tests were performed to characterize the unsaturated soil behavior. Results of tests with saturated soil were gathered and yielded a common shear strength envelope in terms of effective stress. Regarding the unsaturated soil, the stress-strain curves were represented by the deviator stress and the deviator stress normalized by some stress state variables of the soil. Such curves were similar to typical curves of a plastic material, except for those obtained for the lower confining pressure, in which peak of stress were observed. Suction development during shearing presented a common behavior to all the tests, with initial reduction followed by stabilization. The different representations of stress-strain curves allowed defining shear strength planar surfaces on stress x suction x strength space, which showed small variations of effective cohesion and angle related to suction. Despite of the good adjustment of these planar shear strength envelopes, the results showed some non-linearity. Finally, the methods proposed by Khalili and Khabbaz (1998) and Vilar (2007) for predicting the shear strength of unsaturated soils were tested.

O crescente aumento das cargas transportadas pelos caminhões e a utilização de pneus radiais têm contribuído para a degradação prematura dos pavimentos asfálticos. Uma das patologias que passaram a ser comuns nos revestimentos asfálticos, logo após a abertura ao tráfego, é o trincamento que inicia no topo da camada e se propaga para baixo, denominado top-down cracking (TDC). Sabe-se que este trincamento é uma manifestação da ruptura por cisalhamento. Neste sentido, este trabalho visa avaliar a resistência ao cisalhamento de misturas asfálticas em laboratório, a partir da mudança da curva granulométrica. Para isso, foram analisadas duas misturas com ligante convencional CAP 50/70, sendo uma com curva granulométrica densa graúda e outra densa miúda, de acordo com a metodologia Bailey. Foram realizados ensaios de compressão triaxial a 35 e a 45°C em corpos de prova de 100 mm de diâmetro e ~188 mm de altura, os quais foram moldados no compactador giratório. A partir disso, obtiveram-se dados de coesão e de ângulo de atrito das misturas estudadas. Foi verificado que, como era de se esperar, aumentando-se a temperatura de ensaio, reduz-se a coesão de ambas as misturas. Na mistura graúda a coesão passou de 784 para 307 kPa e na mistura miúda de 838 para 401 kPa. Além disso, os resultados indicam que o ângulo de atrito da mistura graúda é maior, como se esperava, e a coesão é menor. Comparando a resistência ao cisalhamento da mistura graúda com as tensões cisalhantes geradas no revestimento de estruturas de pavimentos modeladas no software de elementos finitos Abaqus, foi verificado que as tensões são superiores. Porém não é possível afirmar que não haveria manifestação de TDC nas condições climáticas e carregamento empregados na análise. / The increasing of load transported by trucks and the use of radial tires have contributed for early asphalt pavements failure. One of the distresses that has been frequent in asphalt layers, shortly after opening to traffic, is the cracking that begins at the top of the pavement and propagates down, named top-down cracking (TDC). It is known that this cracking mode can be related to shear failure. Thus, this study aims to evaluate the asphalt mixtures shear strength in a laboratory, from the size distribution change. For this, two mixtures with conventional binder were analyzed, both have dense size distribution, but one coarse-graded and the other fine-graded, following the Bailey method. Triaxial compression test were conducted at 35 and 45°C in specimens with diameter of 100 mm and height of ~188 mm, which were prepared in a gyratory compactor. From this investigation, data for cohesion and friction angle of the studied mixtures were obtained. It was found that, as expected, increasing the test temperature, reduces the cohesion of both mixtures. In the coarse-graded mixture the cohesion reduced from 784 to 307 kPa and fine-graded from 838 to 401 kPa. Furthermore, the results indicate that the coarse mixture friction angle is greater, as expected, and cohesion is smallest. Comparing the coarse mixture shear strength with the shear stresses generated in the coating of pavement structure modeled in the finite element software Abaqus, it was verified that the stress are higher. However it is not possible to assert that there was no manifestation of TDC for the climatic conditions and load proposed in the analysis.

O presente trabalho discute comparativamente o comportamento mecânico de solos lateríticos e não lateríticos para uso em pavimentação. Para tanto foram ensaiados 3 pares de solos, sendo cada par constituído por solos de curvas granulométricas semelhantes, mesma classificação HRB e comportamentos distintos quanto à laterização. Foram realizados ensaios triaxiais convencionais do tipo CD saturado e não saturado sem controle de sucção e ensaios de compressão simples. A partir dos resultados dos ensaios foram modeladas as deformações elásticas em função das tensões de confinamento e determinadas as envoltórias de ruptura de Mohr-Coulomb. Concluiu-se que a maior resistência dos solos lateríticos está representada na componente coesão da envoltória de Mohr-Coulomb e que esta é mobilizada praticamente ao máximo desde o início em um ensaio triaxial. A diferença de resistência entre os ensaios saturados e não saturados também se mostrou na coesão, com a soma nesta da componente coesão aparente, fruto da sucção. O ângulo de atrito mostrou-se constante para as duas gêneses, tanto para a condição saturada como para a condição não saturada. Os solos lateríticos apresentam rigidez maior que os não lateríticos, tanto na condição saturada como na condição não saturada. Para os níveis de tensão de confinamento utilizados, a rigidez dos solos, de ambas as gêneses, na condição saturada, diminui com o aumento da tensão confinante. Também se observou que a ação da sucção existente nos ensaios não saturados proporciona, para ambas as gêneses, uma mudança da sensibilidade da rigidez ao aumento da tensão confinante. / The present paper discusses the mechanical behavior of lateritic and no-lateritic soils for use in pavement. To attain that goal, 3 pair soils were rehearsed, being each pair constituted by soils of similar granulometric curves, same HRB classification and different genesis. The experimental program was constituted of static triaxial compression test of the type saturated CD and of the type unsaturated without suction control and unconfined compression strength test. With the results of the tests, the elastic strains were modeled in function of the confinement stresses and the rupture paths of Mohr-Coulomb were determined. The analysis that the shear strength of the lateritic soils is greater than no-lateritic soil because of the cohesion. Since the begin it, the cohesion is mobilized practically to the maximum for both soils. The difference of shear strength between the saturated and unsaturated tests it is also cohesion, with the sum in that component of the cohesion apparent produced for suction. The angle of internal friction is constant for the two genesis as much for the saturated test as for the unsaturated test. The lateritic soils present greater stiffness than the no-lateritic soils, as much for saturated test as for unsaturated test. For the levels of confinement stresses used, in the saturated condition the stiffness of the soils decreases with the increase of the confinement stresses of both genesis. In addition, it was observed that the suction existent in the unsaturated testing produce a change of the sensibility of the soils stiffness to the increase of the confinement stress for both genesis.

In order to evaluate a methane gas productivity of methane hydrate reservoirs, it is necessary to develop a numeric simulator predicting gas production behavior. For precise assessment of long-term gas productivity, it is important to develop a mathematical model which describes mechanical behaviors of methane hydrate reservoirs in consideration of their time-dependent properties and to introduce it into the numeric simulator. In this study, based on previous experimental results of triaxial compression tests of Toyoura sand containing synthetic methane hydrate, stress-strain relationships were formulated by variable-compliance-type constitutive model. The suggested model takes into account the time-dependent property obtained from laboratory investigation that time dependency of methane hydrate bearing sediment is influenced by methane hydrate saturation and effective confining pressure. Validity of the suggested model should be verified by other laboratory experiments on time-dependent behaviors of methane hydrate bearing sediment.

O presente trabalho discute comparativamente o comportamento mecânico de solos lateríticos e não lateríticos para uso em pavimentação. Para tanto foram ensaiados 3 pares de solos, sendo cada par constituído por solos de curvas granulométricas semelhantes, mesma classificação HRB e comportamentos distintos quanto à laterização. Foram realizados ensaios triaxiais convencionais do tipo CD saturado e não saturado sem controle de sucção e ensaios de compressão simples. A partir dos resultados dos ensaios foram modeladas as deformações elásticas em função das tensões de confinamento e determinadas as envoltórias de ruptura de Mohr-Coulomb. Concluiu-se que a maior resistência dos solos lateríticos está representada na componente coesão da envoltória de Mohr-Coulomb e que esta é mobilizada praticamente ao máximo desde o início em um ensaio triaxial. A diferença de resistência entre os ensaios saturados e não saturados também se mostrou na coesão, com a soma nesta da componente coesão aparente, fruto da sucção. O ângulo de atrito mostrou-se constante para as duas gêneses, tanto para a condição saturada como para a condição não saturada. Os solos lateríticos apresentam rigidez maior que os não lateríticos, tanto na condição saturada como na condição não saturada. Para os níveis de tensão de confinamento utilizados, a rigidez dos solos, de ambas as gêneses, na condição saturada, diminui com o aumento da tensão confinante. Também se observou que a ação da sucção existente nos ensaios não saturados proporciona, para ambas as gêneses, uma mudança da sensibilidade da rigidez ao aumento da tensão confinante. / The present paper discusses the mechanical behavior of lateritic and no-lateritic soils for use in pavement. To attain that goal, 3 pair soils were rehearsed, being each pair constituted by soils of similar granulometric curves, same HRB classification and different genesis. The experimental program was constituted of static triaxial compression test of the type saturated CD and of the type unsaturated without suction control and unconfined compression strength test. With the results of the tests, the elastic strains were modeled in function of the confinement stresses and the rupture paths of Mohr-Coulomb were determined. The analysis that the shear strength of the lateritic soils is greater than no-lateritic soil because of the cohesion. Since the begin it, the cohesion is mobilized practically to the maximum for both soils. The difference of shear strength between the saturated and unsaturated tests it is also cohesion, with the sum in that component of the cohesion apparent produced for suction. The angle of internal friction is constant for the two genesis as much for the saturated test as for the unsaturated test. The lateritic soils present greater stiffness than the no-lateritic soils, as much for saturated test as for unsaturated test. For the levels of confinement stresses used, in the saturated condition the stiffness of the soils decreases with the increase of the confinement stresses of both genesis. In addition, it was observed that the suction existent in the unsaturated testing produce a change of the sensibility of the soils stiffness to the increase of the confinement stress for both genesis.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第21737号 / 工博第4554号 / 新制||工||1710(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科社会基盤工学専攻 / (主査)教授 木村 亮, 准教授 肥後 陽介, 准教授 木元 小百合 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM