Compacted soils are frequently used as subgrade for pavements as well as commercial and residential buildings. The stiffness and shear strength properties of compacted soils, which are collectively denoted as Ω in this thesis, fluctuate with moisture content changes that result from the influence of environmental factors such as the evaporation and infiltration. For example, mechanistic pavement design methods require the information of resilient modulus (MR), which is the soil stiffness behavior under cyclic traffic loading, and its variation with respect to the soil moisture content determined from laboratory tests or estimation methods. Significant advances have been made during the last five decades to understand and model the variation of the Ω with respect to soil moisture content and soil suction (s) based on the principles of mechanics of unsaturated soils. There are a variety of models presently available in the literature relating the Ω to the s using different approaches. There are however uncertainties extending these models for predicting Ω - s relationships when they are used for a larger soil suction range. In addition, the good performance of these models are only valid for certain soil types for which they were developed and calibrated. Studies presented in this thesis are directed towards developing a unified methodology for modelling the relationship between the Ω and the s using limited while easy-to-obtain information. However, more emphasis has been focused on the MR - s relationships of pavement subgrade soils considering the need for the application of the mechanistic pavement design methods in Canada. The following studies have been conducted: (i) State-of-the-art review on existing equations in the literature for the MR - s relationships is summarized. A comparison study is followed to discuss the strengths and limitations of these equations; (ii) A unified methodology for modelling the Ω - s relationships is proposed. Experimental data on 25 different soils are used to verify the proposed unified methodology. The investigations are applied on small strain shear modulus, elastic modulus, and peak and critical shear strength. Good predictions are achieved for all of the investigated soils; (iii) Performance of the proposed methodology is examined for the MR - s relationships using experimental data of 11 subgrade soils. Reasonably good predictions are achieved for all of the subgrade soils; (iv) Extensive experimental investigations are conducted on the MR - s relationships for several subgrade soils collected from various regions in Canada. Experimental results suggest non-linear variation in the MR with respect to s, moisture content and the external stress. The measured results are modelled using the proposed methodology with adequate success; (v) Additional experimental investigations are performed to determine the variation of the elastic modulus (E) and unconfined compression strength (qu) with the s and the gravimetric moisture content (w) for several Canadian subgrade soils. An approach, which is developed extending the proposed unified methodology, is used to normalize the measured MR - w, E - w and qu - w relationships. It is shown that the normalized MR - w, E - w and qu - w relationships exhibit remarkable similarity and can be well described using the proposed approach. Such similarity in the normalized Ω - moisture content relationships are also corroborated using the experimental data on several other soils reported in the literature. The proposed unified methodology alleviates the need for the determination of the Ω - s relationships which requires elaborate testing equipment that needs the supervision of trained personnel and is also time-consuming and expensive. In addition, experimental programs in this thesis provide detailed experimental data on the MR, E, qu, and soil-water characteristic curves of Canadian subgrade soils. These data will be helpful for the better understanding of the hydro-mechanical behavior of the Canadian subgrade soils and for the implementation of the mechanistic pavement design method in Canada. The simple tools presented in this thesis are promising and encouraging for implementing the mechanics of unsaturated soils into conventional geotechnical engineering practice.

The main goal of this research is to evaluate the behavior of earth pressure profiles in unsaturated soils under transient flow. In the first part, an empirical correlation is proposed to obtain the fitting parameters of Brooks and Corey’s soil-water retention model from Fredlund and Xing’s model. The retention models and the proposed equivalency between the models were assessed for 601 soil samples from the unsaturated soils hydraulic database (UNSODA). In the second part, a coupled one-dimensional hydro-mechanical model is introduced and is implemented into Rankine’s earth-pressure model to represent active and passive earth pressure profiles in unsaturated soils under transient flow. A realistic coupling process of infiltration and deformation in the porous medium is established based on the variation in permeability along with deformation in the soil body. The results showed that ignoring the hydro-mechanical coupling effect can lead to underestimation of earth pressure values, especially for fine-grained soils.

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第23476号 / 工博第4888号 / 新制||工||1764(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 渦岡 良介, 教授 三村 衛, 教授 肥後 陽介 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DGAM

Deslizamentos em solos tropicais são frequentemente resultados do avanço de uma frente de umedecimento devido às águas das chuvas. O avanço desta frente de umedecimento provoca elevação da poro-pressão de água ou redução da sucção, e consequentemente, perda de resistência do solo. Este trabalho apresenta um estudo sobre a resistência ao cisalhamento dos solos não saturados, abrangendo uma fase experimental envolvendo ensaios de caracterização, resistência e obtenção das propriedades hidráulicas dos solos e um estudo numérico, com o objetivo de verificar o comportamento da poro-pressão no interior de um talude e a influência na sua estabilidade. Os ensaios de resistência foram realizados no aparato de cisalhamento direto, para a condição inundada, e no aparato de compressão simples com medida direta de sucção, por meio do tensiômetro de alta capacidade (TAC), para a condição não saturada. O equipamento TRIFLEX 2 foi utilizado para se determinar os coeficientes de permeabilidade na condição saturada, e as curvas de retenção foram obtidas utilizando-se a placa de sucção, o TAC e o método do papel filtro. A partir dos resultados obtidos na fase experimental, avaliou-se a influência das características das precipitações (duração e intensidade), condições inicias de sucção no talude e das propriedades hidráulicas dos solos na variação da poro-pressão de água, no interior do talude, ao longo do tempo. Paralelamente à variação da poro-pressão de água, foi obtida a variação do fator de segurança durante e após a precipitação. / Landslides in tropical soils are often the result of advance of the wetting due to rainfall. This advance results from an increase in pore water pressure, reduction in present soil matric suction, reduction in the shear strength of the soil. This work will present a study related to the shear strength of unsaturated soils, including an experimental study, involving characterization, shear strength tests and obtaining hydraulic characteristics of the soils. There is also a numeric study with the aim to analyze the pore water pressure behavior in slopes and its influence in the slope stability. The shear strength tests were carried out in the direct shear test device, for the flooded condition, and concerning the unconfined compression with direct measured matric suction using a high capacity tensiometer (HCT) placed at the base of the sample, for the unsaturated condition. The permeability tests were carried out with TRIFLEX 2 device, and the retention curves were determined using suction plate, HCT and filtered paper. The experimental data permitted the evaluation of the influence of the characteristics of the rainfall (duration and intensity), initial conditions of the slope and of the hydraulic characteristics of the soils in the pore-pressure change of water in the slope, during the test time. In parallel to the pore pressure change of water, the variations of the safety factors during and after the rainfall were obtained.

Taludes formados por solos na condição não saturada são muito comuns no Brasil. Nestes casos a poro-pressão de água contribui para a estabilidade desses taludes. Este trabalho pretende avaliar o efeito do tipo de revestimento superficial na alteração do perfil de poro-pressão de água provocado por fluxos gerados a partir de precipitações, evaporação e evapo-transpiração, e conseqüentemente na estabilidade de talude experimental. São apresentadas aqui as características geológico-geotécnica, geomorfológica, climática e pluviométrica de campo experimental implantado na zona leste de São Paulo/SP, onde foram instalados e monitorados tensiômetros, pluviômetro e medidor de nível dágua por um período oito meses. Resultados de ensaios de caracterização, resistência e obtenção das propriedades hidráulicas dos solos que compõem o maciço estudado são analisados, assim como ensaios realizados com a argamassa de revestimento do talude, ensaios para a análise do funcionamento dos tensímetros e tubos tensiométricos utilizados no monitoramento, e outros ensaios realizados in situ. O monitoramento realizado indicou coerência entre precipitações e variação da poropressão de água, e variação do nível dágua do terreno, em ambos os tipos de revestimento superficial, vegetação natural e argamassa, nos dois tipos de solo presentes no maciço. Análises de estabilidade do talude indicaram o efeito do tipo de revestimento superficial e das variações sazonais de poro-pressão de água no fator de segurança ao escorregamento do talude. / Slopes formed by unsaturated soils are very common in Brazil. In these cases porewater pressure contribute for the slope stability behavior. This work aims at evaluating the effects of types of superficial coating on the profile of pore-water pressure changes, due to flow generated by precipitation, evaporation and evapotranspiration, and consequently on the stability of a experimental slope. It is presented here the geological-geotechnical, geomorfological, climatic and pluvial characterizations of the experimental field located in the east zone of São Paulo/SP, where have been installed and monitored tensiometers, pluviometer and groundwater level measurer during eight months. Results of tests of characterization, shear strength, and for obtaining the hydraulic properties of the in situ soils are analyzed, as well as the tests carried out with de mortar applied over the slope, as well as the functionality tests for the tensimeters and tensiometric tubes used on the monitoring, as well as other in situ tests. Monitoring indicated coherence between precipitation and change in pore-water pressure profile, and groundwater level, in both types of superficial coatings, natural vegetation and mortar, and in both types of in situ soils. Stability analyzes indicated the effect of the type of superficial coating and of the variation of pore-water pressure profile, during the experiment, on the factor of safety of the experimental slope.

A presente pesquisa apresenta resultados de uma série de ensaios de palheta de laboratório, com a finalidade de determinar a resistência não drenada de um solo residual compactado. Durante o ensaio foram realizadas medições continuas de sucção com uso de um tensiômetro de alta capacidade, disposto na base dos corpos de prova, sendo este procedimento inédito. O objetivo secundário do estudo é a avaliação de aspectos relacionados com a variação da resistência e sucção quando a distância do tensiômetro de alta capacidade é modificada com relação à superfície inferior do plano de ruptura pré-estabelecido. Para a realização destes experimentos foram modificados e adaptados equipamentos de laboratório. O estudo foi realizado com um solo residual de gnaisse compactado obtido do antigo campo experimental da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. O estudo constata que o valor medido da resistência não drenada é afetado pela proximidade do tensiômetro a palheta. / This research presents results of a series of mini-vane tests in order to determine the undrained shear strength of a residual compacted soil. During the tests and for the first time, continuous measurement of suction has been made using a high capacity tensiometer placed at the base of the specimen. The secondary aim of this study is to evaluate aspects related to resistance and suction variation when the distance of the high capacity tensiometer is modified in relation to the lower pre-set failure surface. For this reason laboratory equipments were modified and adapted in order to perform the study. The tests were performed with a compacted residual soil of gneiss obtained from the experimental site of the Polytechnical School of the University of São Paulo. The study showed that the undrained shear strength is affected when the vane are closer to the tensiometer.

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.

Deslizamentos em solos tropicais são frequentemente resultados do avanço de uma frente de umedecimento devido às águas das chuvas. O avanço desta frente de umedecimento provoca elevação da poro-pressão de água ou redução da sucção, e consequentemente, perda de resistência do solo. Este trabalho apresenta um estudo sobre a resistência ao cisalhamento dos solos não saturados, abrangendo uma fase experimental envolvendo ensaios de caracterização, resistência e obtenção das propriedades hidráulicas dos solos e um estudo numérico, com o objetivo de verificar o comportamento da poro-pressão no interior de um talude e a influência na sua estabilidade. Os ensaios de resistência foram realizados no aparato de cisalhamento direto, para a condição inundada, e no aparato de compressão simples com medida direta de sucção, por meio do tensiômetro de alta capacidade (TAC), para a condição não saturada. O equipamento TRIFLEX 2 foi utilizado para se determinar os coeficientes de permeabilidade na condição saturada, e as curvas de retenção foram obtidas utilizando-se a placa de sucção, o TAC e o método do papel filtro. A partir dos resultados obtidos na fase experimental, avaliou-se a influência das características das precipitações (duração e intensidade), condições inicias de sucção no talude e das propriedades hidráulicas dos solos na variação da poro-pressão de água, no interior do talude, ao longo do tempo. Paralelamente à variação da poro-pressão de água, foi obtida a variação do fator de segurança durante e após a precipitação. / Landslides in tropical soils are often the result of advance of the wetting due to rainfall. This advance results from an increase in pore water pressure, reduction in present soil matric suction, reduction in the shear strength of the soil. This work will present a study related to the shear strength of unsaturated soils, including an experimental study, involving characterization, shear strength tests and obtaining hydraulic characteristics of the soils. There is also a numeric study with the aim to analyze the pore water pressure behavior in slopes and its influence in the slope stability. The shear strength tests were carried out in the direct shear test device, for the flooded condition, and concerning the unconfined compression with direct measured matric suction using a high capacity tensiometer (HCT) placed at the base of the sample, for the unsaturated condition. The permeability tests were carried out with TRIFLEX 2 device, and the retention curves were determined using suction plate, HCT and filtered paper. The experimental data permitted the evaluation of the influence of the characteristics of the rainfall (duration and intensity), initial conditions of the slope and of the hydraulic characteristics of the soils in the pore-pressure change of water in the slope, during the test time. In parallel to the pore pressure change of water, the variations of the safety factors during and after the rainfall were obtained.

A presente pesquisa apresenta resultados de uma série de ensaios de palheta de laboratório, com a finalidade de determinar a resistência não drenada de um solo residual compactado. Durante o ensaio foram realizadas medições continuas de sucção com uso de um tensiômetro de alta capacidade, disposto na base dos corpos de prova, sendo este procedimento inédito. O objetivo secundário do estudo é a avaliação de aspectos relacionados com a variação da resistência e sucção quando a distância do tensiômetro de alta capacidade é modificada com relação à superfície inferior do plano de ruptura pré-estabelecido. Para a realização destes experimentos foram modificados e adaptados equipamentos de laboratório. O estudo foi realizado com um solo residual de gnaisse compactado obtido do antigo campo experimental da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. O estudo constata que o valor medido da resistência não drenada é afetado pela proximidade do tensiômetro a palheta. / This research presents results of a series of mini-vane tests in order to determine the undrained shear strength of a residual compacted soil. During the tests and for the first time, continuous measurement of suction has been made using a high capacity tensiometer placed at the base of the specimen. The secondary aim of this study is to evaluate aspects related to resistance and suction variation when the distance of the high capacity tensiometer is modified in relation to the lower pre-set failure surface. For this reason laboratory equipments were modified and adapted in order to perform the study. The tests were performed with a compacted residual soil of gneiss obtained from the experimental site of the Polytechnical School of the University of São Paulo. The study showed that the undrained shear strength is affected when the vane are closer to the tensiometer.

Taludes formados por solos na condição não saturada são muito comuns no Brasil. Nestes casos a poro-pressão de água contribui para a estabilidade desses taludes. Este trabalho pretende avaliar o efeito do tipo de revestimento superficial na alteração do perfil de poro-pressão de água provocado por fluxos gerados a partir de precipitações, evaporação e evapo-transpiração, e conseqüentemente na estabilidade de talude experimental. São apresentadas aqui as características geológico-geotécnica, geomorfológica, climática e pluviométrica de campo experimental implantado na zona leste de São Paulo/SP, onde foram instalados e monitorados tensiômetros, pluviômetro e medidor de nível dágua por um período oito meses. Resultados de ensaios de caracterização, resistência e obtenção das propriedades hidráulicas dos solos que compõem o maciço estudado são analisados, assim como ensaios realizados com a argamassa de revestimento do talude, ensaios para a análise do funcionamento dos tensímetros e tubos tensiométricos utilizados no monitoramento, e outros ensaios realizados in situ. O monitoramento realizado indicou coerência entre precipitações e variação da poropressão de água, e variação do nível dágua do terreno, em ambos os tipos de revestimento superficial, vegetação natural e argamassa, nos dois tipos de solo presentes no maciço. Análises de estabilidade do talude indicaram o efeito do tipo de revestimento superficial e das variações sazonais de poro-pressão de água no fator de segurança ao escorregamento do talude. / Slopes formed by unsaturated soils are very common in Brazil. In these cases porewater pressure contribute for the slope stability behavior. This work aims at evaluating the effects of types of superficial coating on the profile of pore-water pressure changes, due to flow generated by precipitation, evaporation and evapotranspiration, and consequently on the stability of a experimental slope. It is presented here the geological-geotechnical, geomorfological, climatic and pluvial characterizations of the experimental field located in the east zone of São Paulo/SP, where have been installed and monitored tensiometers, pluviometer and groundwater level measurer during eight months. Results of tests of characterization, shear strength, and for obtaining the hydraulic properties of the in situ soils are analyzed, as well as the tests carried out with de mortar applied over the slope, as well as the functionality tests for the tensimeters and tensiometric tubes used on the monitoring, as well as other in situ tests. Monitoring indicated coherence between precipitation and change in pore-water pressure profile, and groundwater level, in both types of superficial coatings, natural vegetation and mortar, and in both types of in situ soils. Stability analyzes indicated the effect of the type of superficial coating and of the variation of pore-water pressure profile, during the experiment, on the factor of safety of the experimental slope.