O objetivo do presente trabalho é verificar a susceptibilidade do método do papel-filtro a variações em três parâmetros de ensaio: a rugosidade do meio poroso (estrutura da matriz porosa), a extensão do período de exposição do papel-filtro à água intersticial do solo (tempo de equilíbrio) e o grau de deficiência de contacto entre o papel-filtro e a superfície do meio poroso. Para o estudo da rugosidade do meio poroso, três materiais particulados foram empregados. Individualmente, esses materiais apresentam-se mal graduados. A diferença entre eles reside no tamanho médio dos grãos, que para cada um assume um valor característico. A pretexto de uma primeira descrição, seria possível classificá-los como argila (argila caolinítica rosa), areia fina (areia IPT 100, F = 0,15 mm) e areia média (areia IPT 30, F = 0,60 mm). Vale notar que a peculiaridade destas distribuições granulométricas desqualifica esses materiais como elementos representativos para o estudo de solos que ocorrem em problemas reais de engenharia. De fato, para os propósitos do presente trabalho, os solos são instrumentos de investigação, ao passo que o método de aferição de sucção é objeto de estudo. A fim de que o procedimento experimental abrangesse a um só tempo as observações concernentes aos três parâmetros de estudo, concebeu-se um elenco de corpos-de-prova que viabilizou o levantamento concomitante de todas as observações necessárias. Visando a subsidiar as especulações acerca do tempo de equilíbrio, criaram-se grupos de corpos-de-prova (denominados famílias) a serem avaliados periodicamente segundo três intervalos de tempo: sete dias, quatorze dias e vinte e oito dias. A fim de viabilizar a verificação concomitante da influência da rugosidade do meio poroso (ou seja, da estrutura da matriz porosa), previu-se que cada família de corpos-de-prova seria composta por três sub-grupos (designados lotes), representantes dos três materiais empregados na investigação. E, com o intuito de avaliar a influência do grau de deficiência de contacto entre o papel-filtro e o solo, definiu-se cada lote como um conjunto de três corpos-de-prova, cada qual apresentando em uma de suas bases um sulco com diâmetro e profundidade definidos. De corpo-de-prova a corpo-de-prova, para um mesmo lote de uma mesma família, o diâmetro do sulco apresenta variações. Tais variações geram deficits de contacto que valem 20%, 50% e 80% da área do papel-filtro. A profundidade do sulco é a mesma para todos os corpos-de-prova, e é igual à espessura do espaçador empregado nas medições de sucção total (esp = 2mm). Quanto à rugosidade do meio poroso (estrutura da matriz porosa), concluiu-se que o tamanho médio dos grãos, conjugado ao índice de vazios, constiui variável diretamente proporcional aos desvios percentuais de aferição. Ou seja, quanto menor o tamanho médio dos grãos e menor o índice de vazios do material, menores serão os desvios percentuais de aferição de sucção. Quanto à extensão do período de exposição do papel-filtro à água intersticial do solo (tempo de equilíbrio), concluiu-se que o aumento do tempo de interação entre o papel-filtro e o solo pode compensar eventuais dificuldades de acesso da água intersticial ao papel-filtro. Inicialmente, a água atinge o papel-filtro nas regiões onde há contacto efetivo. Então, de maneira progressiva, a água passa a migrar pelo papel-filtro, umedecendo-o uniformemente. Quanto ao grau de deficiência de contacto entre o papel-filtro e a superfície do meio poroso, concluiu-se que a relação desta variável com o desvio percentual de aferição é de proporcionalidade direta. Ou seja, quanto maior a privação de contacto a que for submetido o papel-filtro, tanto mais afastado do valor de sucção matricial plena estará o valor de sucção aferido. Graficamente, isto se observa como um destacamento da curva de retenção levantada para contacto deficiente em relação à curva de retenção levantada para sucção matricial plena. Observou-se também que o destacamento entre as curvas de retenção não ocorreu de maneira uniforme. Para baixos teores de umidade volumétrica, foram maiores os desvios percentuais de aferição. Deste modo, o afastamento entre as curvas deu-se como uma combinação de translação e distorção. / The purpose of this work is to verify the susceptibility of the filter-paper method to variations in three experimental parameters: roughness of porous medium (structure of porous matrix), period of exposition of the filter-paper to pore water (equilibration time) and degree of deficiency in contact between the filter-paper and the porous medium. In order to study roughness of porous medium (structure of porous matrix), three particulate materials have been used. Individually considered, they present a poorly graduated grain size distribution. They differ one from another for their average grain size, which assumes specific values for each material. As a summary description, it would be possible to classify them as kaolin, fine sand (F = 0.15 mm) and coarse sand (F = 0.60 mm). Such peculiar grain size distribution may disqualify these materials as representative of soils which normally occur in engineering problems. In fact, for the purposes of the present work, soil samples are instruments of investigation, while the method of suction measurement is the object of study. A set of samples was designed in order to make feasible simultaneous gauging of all relevant information. Thus, experimental procedure yielded at once data concerning all three parameters. Three groups of samples (each one assembling 9 elements) were created so that remarks could be made on equilibration time. Each of them is called family, being inspected according to a determined periodicity (7 days, 14 days and 28 days). On their turn, families are composed by smaller groups called branches (each branch gathers three samples, all made of the same material). Branches are intended to make possible the evaluation of the effect of average grain size on the accuracy of the filter-paper technique. Finally, in order to evaluate the role of deficient contact between the filter-paper and the soil, samples of a single branch (thus made of the same material) were designed to present a circular perforation on one of their faces. Within each single branch, from sample to sample, perforation diameter increases to generate growing lack of contact between the filter-paper and the soil sample (lack of contact may assume three different values: 20%, 50% or 80% of the filter-paper surface). Perforation depth doesn\'t vary from sample to sample, always being equal to the thickness of the perforated disk used in total suction measurements (which is 2 mm). As for roughness of porous medium (structure of porous matrix), it has been noticed that both average grain size and void ratio are directly proportional to percent measurement deviation. In other words, the smaller the average grain size and the void ratio, the smaller will be percent measurement deviations. As for period of exposition of the filter-paper to pore water (equilibration time), it has been noticed that extending time for interaction between filter-paper and soil may compensate difficulties interstitial water might have to access filter-paper. At first, water reaches the filter-paper on regions where there is effective contact. Then, progressively, water tends to migrate through the filter-paper, wetting it uniformly. As for degree of deficiency in contact between the filter-paper and the porous medium, it has been noticed that such variable is directly proportional to percent measurement deviations. In other words, the greater the lack of contact between the filter-paper and the soil, the further is suction measurement from its full matric suction equivalent. Graphically, it corresponds to a detachment between the retention curve associated with partial matric suction and the retention curve associated with full matric suction. Additionally, it has been noticed that detachment between retention curves hasn\'t occurred uniformly. For lower volumetric water contents, percent measurement deviations were greater. Hence, detachment occurred as a combination of translation and distortion.

A condutividade hidráulica de dois solos não saturados típicos da região de São Carlos, um arenoso e outro argiloso é estudada através de ensaios de campo empregando o permeâmetro Guelph. Duas alternativas de ensaio foram empregadas e os resultados experimentais foram analisados com os modelo teóricos de REYNOLDS e ELRICK (1985) e PHILIP (1985). Paralelamente, obtiveram-se em laboratório curvas de retenção de água dos solos o que possibilitou determinar a função condutividade hidráulica através das fórmulas empíricas de VAN GENUCHTEN, (1980) e de GARDNER (1958). As características e a variação dos valores da condutividade hidráulica não saturada de campo fornecidos pelo permeâmetro Guelph, são discutidos e confrontados com aqueles obtidos a partir dos métodos indiretos provenientes de laboratório. Observou-se que as condutividades hidráulicas saturadas nos solos foram praticamente iguais, quer se considerem os resultados de campo ou laboratório. Os resultados de campo mostraram-se mais consistentes para o solo argiloso qualquer que tenha sido a técnica de ensaio. O parâmetro &#945 da equação de GARDNER (1958) obtido no campo resultou maior que o valor sugerido na literatura ou obtido em laboratório para o solo arenoso. Para o solo argiloso, todas as opções de obtenção do parâmetro tenderam a fornecer valores praticamente iguais. / The unsaturated hydraulic conductivity of two typical soils from the region of São Carlos City, sandy and clayey soils, has been studied through field tests using the Guelph permeameter. Two different alternatives of tests have been performed and the experimental data have been analyzed following the theoretical models from REYNOLDS and ELRICK (1985) and PHILIP (1985). However, soil-water characteristic curves were obtained in such a way that the hydraulic conductivity function could be evaluated using the empirical expressions from VAN GENUCHTEN (1980), and GARDNER (1958). The characteristics and the variation of the field unsaturated hydraulic conductivity values from the Guelph permeameter are discussed and compared to those from laboratory indirect methods. The field results showed to be more consistent to the clayey soil independent on the test or calculation method. The &#945 value (GARDNER, 1958) parameter obtained in the fields was Iarger than the values suggested in the literature or obtained in laboratory for the sandy soil. To the clayey soil, all the obtaining options of the parameter tended to supply values quite the same.

Submitted by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2015-01-27T14:17:38Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) Dissertação - João Guilherme Rassi Almeida - 2014.pdf: 5543352 bytes, checksum: a34c198e41193488cf976a151433c9a8 (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2015-01-28T12:05:42Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) Dissertação - João Guilherme Rassi Almeida - 2014.pdf: 5543352 bytes, checksum: a34c198e41193488cf976a151433c9a8 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-01-28T12:05:42Z (GMT). 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In this way, the present study aims to analyze the suction effect and laterization degree in erodibility soil, emphasizing important parameters for carried out erodibility tests. Therefore, were selected two (02) areas near the city of Goiânia with distinct pedogenetic characteristics, one with younger soils (or even intermediate, as observed during the study) and another where weathering processes acted more intense, corresponding to a Cambisol soil type and a Oxisol type, respectively. In each site were collected disturbed and undisturbed samples with the aim to perform characterization tests, tropical soils tests, soil water retention curves and erodibility tests. On results were noted that both samples are a lateritic soils, presenting even primary minerals and iron oxides. The adjusting of soil water retention curves results on a bimodal shape for the Oxisol type due to the presence of micro and macropores, and with heterogeneous distribution shape for Cambisol Type, due the presence of grains on different sizes. At finally, the analysis of erosion, in general, results that the samples with lower initial suctions were more resistance to laminar erosions and in the processes of slope stability when submerged. On the Inderbitzen tests, the Oxisol showed be more susceptible to the erosive processes than the Cambisol type, probably because of the lower flow of the water. In the total and partial disintegration test, the samples of Oxisol demonstrate to be a good cohesive soil, opposite behavior have the Cambisol samples. / Os processos erosivos são fenômenos que envolvem sérios problemas ambientais, sociais e econômicos, tais como: perda da produtividade dos solos, assoreamentos de rios e lagos, deslizamentos em áreas de risco e o comprometimento de serviços públicos. Aspectos como o clima, o relevo, o tipo de solo e o uso e ocupação do solo pelo homem são determinantes no entendimento da suscetibilidade de um terreno aos processos erosivos hídricos. Contudo, em se tratando de regiões tropicais, dois aspectos apresentam relevante importância nos estudos de erodibilidade: a não saturação e o grau de intemperização. Desta forma, o presente estudo tem como objetivo geral a análise da influência da sucção e do grau de laterização na erodibilidade dos solos, destacando parâmetros importantes para a realização de ensaios de erodibilidade. Foram selecionadas 02 (duas) regiões próximas ao município de Goiânia com características pedogenéticas distintas, uma com ocorrência de solos jovens (ou mesmo intermediário, conforme foi constatado) e outra onde os processos de intemperismo agiram mais intensificadamente, correspondentes a um solo do tipo Cambissolo e do tipo Latossolo, respectivamente. Em cada local foram coletadas amostras deformadas e indeformadas com a finalidade de realizar ensaios de caracterização convencional e específicos para solos tropicais, curvas características solo-água e ensaios de erodibilidade dos solos. Como resultado, obteve-se que ambos os solos são lateríticos, apresentando desde minerais primários até óxidos e hidróxidos de ferro e alumínio. A curva característica solo-água resultou em formato bimodal para o Latossolo, devido à presença de micro e macroporos, e com distribuição heterogênea para o Cambissolo, devido à presença de grãos de variados tamanhos. Por fim, na análise dos processos erosivos, constatou-se que, em geral, as amostras com menores valores de sucções iniciais apresentaram-se mais resistentes à erodibilidade superficial e à estabilidade quando inundados. No ensaio de Inderbitzen a amostra de Latossolo demonstrou-se mais susceptível aos processos erosivos laminares do que a amostra de Cambissolo, devido à baixa vazão do fluxo de água. Já no ensaio de desagregação total e parcial, as amostras do Latossolo apresentaram-se bem coesas, ao contrário do ocorrido nas amostras do Cambissolo.

Submitted by JÚLIO HEBER SILVA (julioheber@yahoo.com.br) on 2017-06-14T17:15:46Z No. of bitstreams: 2 Dissertação - Vinícius de Oliveira Kuhn - 2014.pdf: 14459455 bytes, checksum: 11696ddc15a23f367e9d7747b46d68ba (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Approved for entry into archive by Cláudia Bueno (claudiamoura18@gmail.com) on 2017-07-07T19:38:09Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertação - Vinícius de Oliveira Kuhn - 2014.pdf: 14459455 bytes, checksum: 11696ddc15a23f367e9d7747b46d68ba (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2017-07-07T19:38:09Z (GMT). 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The material studied, a residual clayey soil from Goiania, GO, Brazil derived from mica schist, was semi-statically compacted at optimum conditions corresponding to the Standard Proctor. An extensive experimental program was undertaken, manly comprised of CDnsat triaxial tests for relatively low matric suctions (i.e., lower than 300 kPa), CW triaxial tests for relatively high total suctions, and Brazilian tensile tests also for high total suctions. The CW triaxial and tensile tests required the measurements of suction before and after failure. These measurements were carried out using both the filter paper technique for total and matric suction and a dew point potentiometer for total suction. In addition, tests were performed to determine the soil-water characteristic curve (SWCC) at unconfined condition. Data obtained from unsaturated triaxial tests also allowed the measurement of the SWCC, specifically for the soil consolidated at different confining stresses and for the soil subjected to deviator stresses. The experimental program was complemented by consolidated-drained triaxial tests and isotropic compression tests, both under saturated conditions. The monitoring of several stress, strain, and volume-mass state variables allowed for a detailed evaluation of soil behavior. Based on the results of the experimental program, it was determined that for total suctions ranging from zero up to approximately 10,000 kPa there is significant nonlinear shear strength increase. Beyond that suction, shear strength decreases as the soil desaturates. The shear strength loss depends on the net normal stress, with the soil presenting smaller reductions in shear strength for higher confining stresses. A remarkable relationship between the SWCC and the shear strength was observed, with the point of maximum strength corresponding to the air-entry value of the micropores. The relationship between shear strength and the water stored in micropores that are generally present within clay aggregates indicates the importance of the mechanical stability of these soil aggregates. The performance of different fitting and prediction models was evaluated considering both low suctions and the wide range of suctions used in the experimental program. Existing prediction models based on SWCC proved inaccurate for high suctions, requiring changes in their formulations. A new family of models that consider the entire range of suctions, including the loss of shear strength, was proposed. Finally, the prediction models using the SWCC of the soil under deviator stress (i.e., peak conditions) was evaluated, showing that the use of the unconfined SWCC presents superior prediction results to both low suctions and the wide range of suctions. / Geralmente desprezado, o comportamento mecânico dos solos não saturados quando submetidos a elevadas sucções é relevante em diversos problemas, desde o comportamento de camadas superficiais de argilas ressecadas até o desempenho de barreiras para disposição de resíduos nucleares. Neste contexto, o objetivo deste trabalho é estudar experimentalmente a resistência ao cisalhamento de um solo tropical compactado não saturado considerando altas sucções, avaliar modelos de comportamento existentes e desenvolver um modelo de comportamento que contemple altas sucções. O material estudado, uma argila residual madura de micaxisto de Goiânia, GO, foi compactada semi-estaticamente na condição ótima correspondente ao Proctor Normal. Foi desenvolvida uma campanha de investigações experimentais que incluiu ensaios triaxiais com controle de sucção do tipo CDnsat, para relativamente baixas sucções matriciais (i.e., menores que 300 kPa), ensaios triaxiais do tipo CW para relativamente altas sucções totais e ensaios de compressão diametral, também para altas sucções totais. Os ensaios do tipo CW e de compressão diametral foram realizados com medição de sucção pré e pós ruptura. Pra tal, foram empregadas a técnicas do papel filtro para sucções totais e matriciais e um potenciômetro de ponto de orvalho para sucções totais. Foram também realizados ensaios de determinação da curva característica solo-água (CCSA) em condições não confinadas, dados esses que foram combinados com CCSAs obtidas a partir dos ensaios triaxiais não saturados, para diferentes tensões confinantes e para diferentes tensões desvio. O programa experimental foi complementado com ensaios triaxiais do tipo CD e ensaios de compressão isotrópica, ambos para o solo saturado. O monitoramento de diversas variáveis de estado de tensão, deformação e volume-massa, permitiu uma avaliação ampla do comportamento do solo. Baseado nos resultados experimentais, foi determinado que o solo submetido à sucções de até aproximadamente 10.000 kPa tem significante, porém não linear, ganho de resistência ao cisalhamento. A partir deste ponto o solo sofre perda de parte dessa resistência. A perda de resistência depende das tensões normais líquidas, sendo essa perda menor para tensões confinantes maiores. Foi observada uma marcante relação entre a CCSA e a resistência ao cisalhamento, sendo o ponto de máxima resistência associado ao ponto de início da secagem dos microporos. A relação entre a resistência ao cisalhamento e a água armazenada nos microporos, geralmente presente em agregados de argila, indica a importância da resistência interna desses agregados. Foram avaliados os desempenhos de diversos modelos de comportamento de solos não saturados na representação do comportamento do solo estudado, considerando baixas sucções e toda a faixa de sucções empregadas. Foi proposta uma nova família de modelos que considera toda a faixa de sucções, incluindo a perda de resistência ao cisalhamento. Modelos de previsão baseados na CCSA existentes na literatura mostraram-se pouco acurados para altas sucções, sendo necessárias alterações nas formulações. Finalmente, os modelos de previsão foram avaliados utilizando as CCSAs de estado de ruptura, mostrando que o uso de CCSAs desconfinadas apresentam melhor previsão de resistência tanto para altas sucções (todas as sucções) quanto para baixas sucções (até 2.000 kPa).

Submitted by Erika Demachki (erikademachki@gmail.com) on 2015-04-20T17:51:20Z No. of bitstreams: 3 Dissertação - Melina Freitas Rocha - 2013 - parte 01.pdf: 18877116 bytes, checksum: db6e237169520b45aaf7353c708c8366 (MD5) Dissertação - Melina Freitas Rocha - 2013 - parte 02.pdf: 8252606 bytes, checksum: c0d1163233c3716f97b6b48d0006dada (MD5) license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) / Approved for entry into archive by Erika Demachki (erikademachki@gmail.com) on 2015-04-20T17:52:46Z (GMT) No. of bitstreams: 3 Dissertação - Melina Freitas Rocha - 2013 - parte 01.pdf: 18877116 bytes, checksum: db6e237169520b45aaf7353c708c8366 (MD5) Dissertação - Melina Freitas Rocha - 2013 - parte 02.pdf: 8252606 bytes, checksum: c0d1163233c3716f97b6b48d0006dada (MD5) license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-04-20T17:52:47Z (GMT). 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The analysis of soilstructure interaction becomes important by the fact that the same structure subjected to the same external load, presents support reactions that vary with the particular conditions of the mass of soil in which it lies. Therefore the study of soil-atmosphere interaction is an essential factor for unsaturated soils. In order to evaluate the influence of suction on structural design in balance were simulated real conditions of rainfall in three different soils for three excavations (3, 6 e 9 m) and inciciais different conditions N.A. It was observed that the behavior of the suction profile is inwardly related to the parameters as well as saturated and unsaturated soil each, with the intensity and duration of precipitation. Through the theory of earth pressure Rankine for saturated soils, the formulation was developed to calculate the active and passive earth pressure into account the unsaturated soil for three different behaviors of suction, i.e., constant suction over the depth matric suction decrease linearly with depth and suction profile mixed (ie, the part is kept constant and decrease linearly with depth). After determination of the active and passive earth pressure was established equilibrium limit retaining wall and give the sheet length for safety factors of 1,0 and 1,5. It was noticed that there is reduction in the active earth pressure and increased passive earth pressure for all conditions in suction profile. Due to suction, there is an increased horizontal depth tension zone that contributes to the reduction in the horizontal efforts on the structures retaining wall , then a reduction in the sheet length. Otherwise the specific weight natural varies with the suction and that is a factor that can increase efforts, particularly for rainfall with relative intensity close to 1 (q/ksat) and saturated soils with high permeability, where suction is small and has constant distribuiton in the soil profile. / A necessidade do uso das estruturas de contenção tem sido cada vez mais frequente em obras de engenharia. A valorização do uso do solo tem levado a exploração ampla do subsolo, implicando em grandes escavações que alteram o estado de equilíbrio do solo. O desempenho e dimensionamento da contenção exigem um bom entendimento do estado de tensões do solo, da interação solo-estrutura e da variação da saturação do solo durante a construção e vida útil da contenção. A vida útil de uma obra deve garantir estabilidade, funcionalidade e durabilidade. A análise da interação solo-estrutura torna-se importante pelo fato de que a mesma estrutura, submetida à mesma carga externa, apresenta reações de apoio que variam com as condições particulares do maciço de solo em que ela se encontra. Portanto o estudo da interação solo-atmosfera é um dos fatores essenciais para os solos não saturados. Com intuito de avaliar a influência da sucção no dimensionamente de uma estrutura de contenção em balanço, foram simulados condições reais de precipitações em três solos distintos para três profundidades de escavações (3, 6 e 9 m) e para várias condições inciciais de N.A. E observou-se que o comportamento do perfil de sucção está intimamente relacionado com os parâmetros saturados bem como os não saturados de cada solo, com a intensidade e duração da precipitação. Através da teoria do empuxo de terra de Rankine, para os solos saturados foram desenvolvidas as formulação para cálculo dos empuxos ativos e passivo levando em consideração a não saturação do solo, para três comportamentos diferentes da sucção, isto é; sucção constante ao longo da profundidade, sucção variando linearmente com a profundidade e perfil de sucção misto (i.e., parte é mantido constante e parte varia linearmente com a profundidade). Após a determinação dos empuxos ativo e passivo foi estabelecido o equilíbrio limite da contenção e determinado o comprimento da ficha para dos fatores de segurança de 1,0 e 1,5. Percebeu-se que há redução do empuxo ativo e um acréscimo do empuxo passivo para todas as condições de perfil de sucção. Devido a sucção, há um aumento da profundidade da tensão horizontal nula que foi um dos parâmetros que contribui para a redução dos esforços horizontais na contenção, logo uma redução no comprimento da ficha. Por outro lado o peso específico natural varia com a sucção e esse é um fator que pode aumentar os esforços, principalmente para chuvas com intensidade relativa próxima de 1 (q/ksat) e solos com permeabilidade saturada alta, onde a sucção é pequena e tem-se distribuição constante no perfil do solo.

Several geotechnical processes can only be reliably interpreted by taking account of the soil-atmosphere interactions. This thesis investigates two geotechnical problems involving soil-atmosphere interactions that drive water flow through the soil skeleton in two opposite directions; Problem 1: slope failure in expansive soils induced by water infiltration, Problem 2: large strain consolidation of soft soils induced by water evaporation. Both problems are of practical interest for safe and economical design of various geotechnical infrastructures. Two major geotechnical activities in the world; namely, the construction of water transfer canal in expansive soil area in China and the deposition of oil sands and hard rock tailings in Canada can be cited as classic examples of Problems 1 and 2, respectively. In such problems, substantial zones of the domain may switch between an unsaturated and saturated condition. Therefore, rational analysis requires simultaneous modelling of both unsaturated and saturated soil behaviour. The first goal of this thesis is to investigate the influence of swelling (the most characteristic behaviour of expansive soils) on slope stability using numerical methods. Swelling of expansive soils contributes to slope instability during rainfall because of two key reasons (i) soil swelling affects the flow process that actually induces swelling, (i.e. a typical coupling phenomenon), and (ii) swelling-induced stress redistribution and displacement development. In this thesis, the first effect is studied by a coupled (mechanical-hydraulic) numerical analysis of the response of a slope to rainfall using commercial software (GeoSlope). The second effect, the swelling-induced stress redistribution and displacement development after wetting, is tracked using a newly developed numerical program. In the program strain softening behaviour is introduced into the elasto-plastic Mohr-Coulomb Model for modelling unsaturated soil. A novel stress (net stress and suction)-dependent model for moduli of elasticity, combined with the predictive model for shear strength based on Soil Water Retention Behaviour are incorporated into the numerical program to achieve a smooth transition between saturated and unsaturated states. The results show that soil swelling can decrease the factor of safety by accelerating the wetting front depth due to hydro-mechanical coupling, while changes of sliding mass geometry has a negligible influence. The change of stress regime associated with soil swelling is significant to induce plastic strain softening (swelling-induced softening) and contribute to the slope failures. The second goal of thesis is to develop a novel computer program for simulation of large strain consolidation of soft soil under both self-weight and evaporation conditions. This program is both theoretically sound and practically applicable. Several basic/advanced constitutive models for unsaturated soils, including State Surface Model (SSM), Barcelona Basic model (BBM), Glasgow Coupled model (GCM) and bounding surface water retention model, are innovatively implemented into a piece-wise linear framework solved using finite difference technique. The developed program is referred to as UNSATCON-(ML), which has been tested using (a) existing analytical/numerical solutions and (b) various laboratory and field studies for single-layer and multiple-layer deposition of hard rock and oil sands tailings. Features of UNSATCON-(ML) that are improvements over existing models typically used to analyze consolidation-desiccation in soft soils include: (i) coupling of soil large deformation with true unsaturated water flow; (ii) correct reproduction of the shrinkage behaviour of soil under evaporation-induced desiccation; (iii) smooth transition between saturated and unsaturated states despite that some selected models are established using two independent stress variables, (iv) ensuring strictly mass conservation of water, and (v) simulation of irrecoverable volume change and hydraulic hysteresis to properly analyze multilayer tailings deposition. A number of hypothetical field case analyses are carried out using UNSATCON-ML, illustrating its applicability to industry.

Several hydraulic loadings impose earthen levees to time-dependent variably saturated seepage conditions. The main objective of this study is to improve the analysis of levees under transient seepage with the use of unsaturated soil mechanics. An extensive set of laboratory testing, field monitoring and numerical modeling are performed to analyze a silty sand setback levee located near Seattle, WA. In-situ data obtained from field monitoring are used to monitor suction and effective stress within the levee’s embankment and foundation over the past two years. Soil samples taken from the site are used to perform index, water retention, and unsaturated multi-stage triaxial tests in the laboratory. A finite element model of transient seepage under saturated-unsaturated conditions is then developed and calibrated to reasonably match the field data. The results highlight the need to consider unsaturated soil mechanics along with climatic variables and soil-atmosphere interaction when analyzing levees under transient seepage conditions.

Este trabalho apresenta uma revisão bibliográfica sobre os conceitos de solos não saturados e descreve os diversos tipos de camada de cobertura usadas em aterro de resíduos sólidos urbanos. Apresenta trabalhos científicos que contemplam curvas características de solos tropicais brasileiros. Caracteriza o solo usado antigamente como camada de cobertura do Aterro Morro do Céu e este solo com adição de 5% de bentonita. Determina a curva característica desses dois solos pelo Método do Papel Filtro e pela Placa de Sucção e, em seguida, Placa de Pressão. As curvas obtidas por esses métodos apresentaram diferenças. A adição da bentonita no solo teve como objetivo avaliar o desempenho do mesmo. O solo com adição de bentonita apresentou maior plasticidade, menor permeabilidade e maior capacidade de retenção de água no solo. Apresenta a modelagem de camadas monolíticas, camadas monolíticas evapotranspirativas, barreiras capilares, barreiras capilares evapotranspirativas através do uso do Programa VADOSE/W como ferramenta para aferição. / This study is a review about unsatured soils concepts and describes some types of soil cover systems used in landfills. It presents scientific works about Brazilian tropical soils Water Retention Curve. It characterizes the soil that was used as a cover layer system used at Morro do Céu landfill and the same soil with addition of 5% of bentonite. It determinates the soil water retention curve by Filter Paper Method and Suction Plate and, after that, Pressure Plate. The curves obtained by these two methods showed differences. The objective of the addition of the bentonite in the soil is to evaluate its performance. The soil with the addition of bentonite shows higher plasticity, lower hydraulic conductivity and higher moisture storage. It presents the modeling of monolithic covers, evapotranspirative monolithic covers, capillary barriers and evapotranspirative capillary barriers by the use of VADOSE/W Program as a tool for gauging.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / O perfeito entendimento de deslizamentos de terra tem sido objeto de grande interesse na engenharia geotécnica há muitos anos. Encostas naturais representam um desafio constante para os engenheiros, mais do que os taludes artificiais. Não é incomum que os escorregamentos causam perdas de vidas humanas e também danos materiais. As informações obtidas a partir de retro-análise de casos históricos, têm servido como uma ferramenta valiosa para a compreensão da estabilidade de taludes. Vale a pena notar que o primeiro método de cálculo de estabilidade de taludes, usando divisão de fatia, foi desenvolvido após um acidente na Noruega. Métodos de estabilidade por Equilíbrio Limite, desenvolvidos no século passado são atualmente utilizados na prática da engenharia. Apesar de suas deficiências, eles provaram ser confiáveis na determinação do Fator de Segurança. A geometria 2D e a abordagem completa da condição saturada são provavelmente as questões mais relevantes dos métodos atuais. A condição do solo não saturado está geralmente presente em taludes naturais e os métodos ignoram a influência da sucção do solo sobre a estabilidade do talude. O desenvolvimento de computadores no meio do século passado, tornaram os cálculos Equilíbrio Limite fáceis de serem executados. Por outro lado, eles não podem explicar a natureza do problema ou prever o comportamento do solo antes da ruptura. A década de 1960 marcou o início do desenvolvimento de programas de computador baseados em métodos numéricos que, entre outros, destaca-se, em geotecnia, a aplicação dos métodos de Elementos Finitos (FEM). Este método é ideal para muitos fins, uma vez que permite a simulação da sequência de construção e também a incorporação de diferentes modelos constitutivos. Este trabalho mostra a influência da sucção sobre a estabilidade de encostas naturais. Uma retroanálise de um escorregamento no Morro dos Cabritos, no Rio de Janeiro, foi feita através de um programa de análise de tensão (Plaxis 2D). Os resultados foram comparados com o FS obtido por programa de Equilíbrio Limite (Slide v5). O efeito de sucção do solo foi incorporada nas análises, através de sua influência sobre os parâmetros de resistência do solo e por diferentes possibilidades de infiltração de água na encosta. Este caso histórico foi estudado anteriormente por Gerscovich (1994), que na época, fez analise de fluxo e estabilidade utilizando um abordagem de Equilíbrio Limite 3D. Os resultados mostraram boa concordância entre a análise de Elementos Finitos e a simulação de Equilíbrio Limite, sem a presença de nível de água. Os resultados confirmaram que foi necessário haver pressões positivas para explicar a ruptura do talude.

Este trabalho apresenta uma revisão bibliográfica sobre os conceitos de solos não saturados e descreve os diversos tipos de camada de cobertura usadas em aterro de resíduos sólidos urbanos. Apresenta trabalhos científicos que contemplam curvas características de solos tropicais brasileiros. Caracteriza o solo usado antigamente como camada de cobertura do Aterro Morro do Céu e este solo com adição de 5% de bentonita. Determina a curva característica desses dois solos pelo Método do Papel Filtro e pela Placa de Sucção e, em seguida, Placa de Pressão. As curvas obtidas por esses métodos apresentaram diferenças. A adição da bentonita no solo teve como objetivo avaliar o desempenho do mesmo. O solo com adição de bentonita apresentou maior plasticidade, menor permeabilidade e maior capacidade de retenção de água no solo. Apresenta a modelagem de camadas monolíticas, camadas monolíticas evapotranspirativas, barreiras capilares, barreiras capilares evapotranspirativas através do uso do Programa VADOSE/W como ferramenta para aferição. / This study is a review about unsatured soils concepts and describes some types of soil cover systems used in landfills. It presents scientific works about Brazilian tropical soils Water Retention Curve. It characterizes the soil that was used as a cover layer system used at Morro do Céu landfill and the same soil with addition of 5% of bentonite. It determinates the soil water retention curve by Filter Paper Method and Suction Plate and, after that, Pressure Plate. The curves obtained by these two methods showed differences. The objective of the addition of the bentonite in the soil is to evaluate its performance. The soil with the addition of bentonite shows higher plasticity, lower hydraulic conductivity and higher moisture storage. It presents the modeling of monolithic covers, evapotranspirative monolithic covers, capillary barriers and evapotranspirative capillary barriers by the use of VADOSE/W Program as a tool for gauging.