In many situations, the upper layers of soil above the ground water table are in a state of unsaturated condition. Although unsaturated soils are found throughout the world, they are predominant in arid or semi-arid regions. In these areas, the soil water characteristic curve (SWCC) which relates the water content to the matric suction could be used as key tool to implement the mechanics of unsaturated soils into the designs of geotechnical structures such as dams, embankments, pavements, canals, and foundations. Several experimental techniques are available for determining the SWCC in a laboratory environment. However, these experimental techniques are expensive, time consuming typically requiring days or weeks, depending on the soil type, and demanding intricate testing equipment. Due to these reasons, there has been a growing interest to find other means for estimating SWCC and encourage the adoption of unsaturated soils mechanics in geotechnical engineering practice. Several methods exist to indirectly estimate the SWCC from basic soil properties. Some may include statistical estimation of the water content at selected matric suction values, correlation of soil properties with the fitting parameters of an analytical equation that represents the SWCC, estimation of the SWCC using a physics-based conceptual model, and artificial intelligence methods such as neural networks or genetic programming. However, many studies have shown that environmental effects such as temperature, soil structure, initial water content, void ratio, stress history, compaction method, etc. can also affect the SWCC. This means that the estimation SWCC from set of conditions may not reliably predict the SWCC in other conditions. Due to this reason, it is crucial for engineers involved with unsaturated soils to take into account all the factors that influence the SWCC. The two key objectives of the present thesis are the development of a method based on first principles, using the capillary rise theory, to predict the variation of the SWCC as a function of temperature, as well as developing a technique for the prediction of the fixed parameters of a well-known function representing the SWCC based on basic soil properties together with the moisture profile of a soil column subjected to a known temperature gradient. A rational approach using capillary rise theory and the effect of temperature on surface tension and liquid density is developed to study the relation between temperature and the parameters of the Fredlund and Xing (1994) equation. Several tests, using a Tempe cell submerged in a controlled temperature bath, were performed to determine the SWCC of two coarse-grained soils at different temperatures. A good comparison between the predicted SWCC at different temperatures using the proposed model and the measured values from the Tempe cell test results is achieved. Within the scope of this thesis, a separate testing program was undertaken to indirectly estimate the SWCC of the same two coarse-grained soils from the measurement of their steady state soil-moisture profile while subjected to a fixed temperature differences. The water potential equation in the liquid and vapor phases is used to analyses the steady state flow conditions in the unsaturated soil. A good comparison is obtained for the SWCC estimated using this technique with the SWCC measured used a Tempe cell submerged in a controlled temperature bath. The results of this study indicate that knowledge of the moisture content of a soil specimen under a constant thermal gradient and basic soil properties can be used to estimate the SWCC of the soil at the desired temperature.

La méthode des éléments discrets est utilisée pour étudier deux types d'intéraction dans les matériaux granulaires pour deux applications différentes.La première application introduit un couplage hydromécanique pour étudier le comportement des matériaux granulaires partiellement saturés. Un modèle numérique en régime pendulaire pour les grains sphériques permettant la détermination des aires interfaciales et tenant compte de la rugosité des grains est développé. Sur cette base, l'énergie libre des interfaces est définie, et sa variation se trouve à équilibrer le travail mécanique exercée par le pont liquide sur les particules d'un système à deux grains conformément à la première loi de la thermodynamique. Le modèle permet de détecter l'evolution de l'énergie libre dans les systèmes granulaires deformés et simulés avec la méthode des éléments discrets. Des simulations sur des assemblages réguliers et aléatoires sont présentés pour discuter le concept de la contrainte effective et vérifier si l'expression Love-Weber de contrainte moyennée décrit bien le comportement des matériaux granulaires partiellement saturés pour différentes configurations et aspects mécaniques. Bien souvent censé jouer le rôle de la contrainte effective dans les systèmes multiphasiques, la contrainte moyennée de Love-Weber n'est valable que pour des assemblages réguliers en régime élastique. En cas d'assemblages aléatoires, elle ne compare pas toujours avec les variations de l'énérgie libre élastique. Au pic pour la résistance au cisaillement, Love-Weber vérifie une enveloppe de rupture Mohr-Coulomb unique pour les assemblages avec une granulometrie uniforme; elle peut alors être défini comme une possible formulation de contrainte effective micromécanique dans ce cas. Il est cependant montré que cette hypothèse n'est pas valable pour toutes les configurations de granulometrie possibles.Le modèle pendulaire est couplé avec le modèle funiculaire de Yuan et. al. (2015), ce qui permet la simulation d'un drainage complet. Les résultats montrent que l'addition des ménisques a un impact important sur le comportement mécanique des sols non saturés .La deuxième application incarne les interactions des grains avec un milieu élastique continu pour étudier la compaction des agents de soutènement qui est d'une grande importance dans l'industrie de la production pétrolière. Un tas granulaire est compactée entre deux plaques rigides. La répartition des contraintes induites par le tas d'agents de soutènement sur les plaques est étudiée et reliée à l'ouverture de la fissure et la zone de contact sur chaque plaque. L'influence de l'angle de frottement entre les grains et entre les grains et les plaques sont également étudiés. Les plaques rigides sont remplacés dans une deuxième partie par un bloc rocheux élastique simulé à l'aide de la DEM,en collant des particules entre elles par une très forte cohésion ajoutée aux contacts. La DEM est trouvée capable de simuler un milieu de continu élastique, vue que la comparaison de l'analyse d'un problème d'inclusion d'un disque rigide dans le bloc rocheux discrèt avec les résultats analytiques de Selvadurai (1994) est très proche. La forme dus tas de soutènement déposé à partir du trou de forage par gravité et la géométrie de la fracture pour différentes valeurs de contrainte verticales sont finalement présentés. / The discrete element method is used to study two interaction types in granular materials for two different applications.The first application embodies hydromechanical coupling to study the behavior of unsaturated granular materials. An extended numerical model of pendular bridge for spherical grains is introduced, enabling the determination of interfacial areas and taking into account the roughness of the grains. On this basis, the free energy of interfaces is defined, and its changes are found to balance the mechanical work exerted by the bridge on the particles of a two grain system, following the first law of thermodynamics. The model enables tracking the changes of free energy in deforming granular systems simulated with the discrete element method. Simulations of regular and random packings are presented to discuss the effective stress concept and check whether the Love-Weber expression of averaged stress is able to describe well the behavior of partially saturated granular materials for different configurations and mechanical aspects. Though frequently supposed to play the role of effective stress in multiphase systems, the Love-Weber stress is found to be valid only for regular packings to describe the deformation behavior in the elastic regime. In random packings, it does not compare consistently with the changes of elastic free energy.At the peak for shear strength, Love-Weber stress can be defined as a possible micromechanical effective stress formula for some configurations. It verifies a unique Mohr-Coulomb rupture envelop when the envelops are plotted in $p_{cont},q_{cont}$ in the case of random packings with rough /smooth grains and tightly graded particle size distributions. It is however shown that this property does not hold for all the possible particle size distributions.The pendular bridge model is coupled with the funicular model of Yuan et. al. (2015) allows the simulation of a full drainage process where it is shown that the addition of the menisci have a noticeable impact on the behavior of unsaturated soils.The second application embodies particle-elastic continuum interaction to study the compaction of proppant region that is of big importance in the oil and gas production industry. A granular pile is compacted between two rigid plates. The stress distribution induced by the pile of proppants on the plates is investigated and related to the opening of the fracture and the contact zone on each plate. The influence of friction angle between the grains and the grains and the plates are also investigated. The rigid plates are replaced in a second part by an elastic rock block simulated using DEM, gluing particles together with elastic contacts. DEM is shown to be adequate to simulate an elastic continuum medium as the comparison of the analysis of a rigid disc inclusion problem in the discrete rock block with analytical results of Selvadurai (1994) fit very well. The shape of the proppant pile deposited from the borehole by gravity and the geometry of the fracture for different overburden stress values are presented.

Submitted by Edileide Reis (leyde-landy@hotmail.com) on 2013-04-10T18:01:55Z No. of bitstreams: 1 Larissa.pdf: 5126272 bytes, checksum: a3bdd5baa6428581b82237fd62ec38c6 (MD5) / Approved for entry into archive by Rodrigo Meirelles(rodrigomei@ufba.br) on 2013-04-22T19:36:09Z (GMT) No. of bitstreams: 1 Larissa.pdf: 5126272 bytes, checksum: a3bdd5baa6428581b82237fd62ec38c6 (MD5) / Made available in DSpace on 2013-04-22T19:36:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Larissa.pdf: 5126272 bytes, checksum: a3bdd5baa6428581b82237fd62ec38c6 (MD5) Previous issue date: 2006 / Este trabalho teve como objetivo principal o desenvolvimento de um equipamento para a determinação experimental da curva característica de sucção, e a determinação experimental da permeabilidade efetiva a fluidos imiscíveis em sistemas multifásicos (três fases), especificamente gasolina, água e ar, enfocandose as diversas propriedades envolvidas no fluxo multifásico de fluidos em solos não saturados. Para tanto foi projetado, construído e colocado em operação, no Laboratório de Geotecnia Ambiental da Escola Politécnica da UFBA, um equipamento constituído de quatro permeâmetros de parede flexível, sistema de medição de vazão nas três fases, sistema de aquisição de dados automatizado, sistema de aplicação e controle de pressão em todas as fases de forma independente e sistema de aplicação de vazão constante (bomba de fluxo). É apresentado neste trabalho uma descrição detalhada de todas as unidades componentes do equipamento desenvolvido, assim como os procedimentos adotados para a realização dos ensaios, as dificuldades encontradas e as soluções adotadas. Visando avaliar o funcionamento do equipamento desenvolvido, foram realizados testes de pré-operação e aferição, com o solo sedimentar da formação Barreiras. Os resultados dos testes realizados indicam que o equipamento desenvolvido e as técnicas experimentais implementadas podem se constituir em importantes ferramentas para a obtenção de dados referentes a interação e transporte da gasolina, em solos não saturados. / Salvador

Esta tese tem por objetivo analisar o comportamento mecânico de um solo coluvionar de arenito não saturado (Solo AV) em condições indeformadas e remoldados. Sua localização é na divisa dos estados de Santa Catarina e Rio Grande do Sul. Os corpos de prova foram moldados com o mesmo índice de vazios na condição indeformada e na condição remoldada com o intuito de se avaliar o papel da estrutura deste solo. Para este estudo foi modificado o equipamento triaxial com sucção controlada, apresentado por Pereira (2006), inserindo os medidores de deslocamentos locais nos corpos de prova (sensores de efeito Hall). A partir dos medidores de deformação locais foi possível observar a influência da sucção nos módulos de deformabilidade do solo AV para a condição remoldada. Foram determinadas as envoltórias de resistência ao cisalhamento para os ensaios na condição não saturada para corpos de prova indeformados e remoldados. Na condição não saturada observou-se que o ângulo de atrito interno (’) é influenciado pelo nível de sucção e tensão normal líquida aplicada. As envoltórias no plano tensão cisalhante versus sucção são não lineares e resultam, para baixos valores de sucção, em valores de b sempre superiores a ’. Os resultados indicaram que os corpos de prova indeformados, na condição saturada, apresentaram parâmetros e resistência ao cisalhamento superiores aos corpos de prova remoldados. Entretanto, para a condição não saturada, os corpos de prova remoldados apresentaram resistência ao cisalhamento superiores a dos corpos de prova indeformados. Os resultados dos ensaios do hollow cylinder indicaram que a magnitude da tensão principal intermediária influencia na resistência ao cisalhamento obtida. Pela variação da direção da tensão principal maior observou-se um comportamento anisotrópico nos corpos de prova remoldados. Em termos de parâmetros de resistência ao cisalhamento os ensaios triaxiais e hollow cylinder apresentaram resultados consistentes, de acordo com a literatura. Os principais modelos de previsão de resistência ao cisalhamento existentes, baseados em dados básicos do Solo AV, não apresentaram um bom ajustes para as condições de moldagem. Baseado em análises estatísticas, foi possível obter duas equações de ajuste, sendo uma linear exponencial para a condição indeformada e uma parabólica para a condição remoldada. / This thesis aims to analyze the mechanical behavior of an unsaturated sandstone colluvium soil (Soil AV) in undisturbed and remolded conditions. The colluvium is located on the border of the states of Santa Catarina and Rio Grande do Sul. The specimens were prepared with the same void ratio for undisturbed and remolded conditions in order to evaluate the soil structure. For this study the triaxial apparatus with suction-controll, presented by Pereira (2006), was improved by inserting local displacement traducers (Hall effect sensors). These tranducers allowed the evaluation of the influence of the suction on the Young’s modulus for the soil AV in the remolded condition. Shear strength envelopes were determined based on tests on unsaturated condition on undisturbed and remolded specimens. For the unsaturated condition, it was noted that the internal friction angle ('’) is influenced by the level of suction and net normal stress applied. The shear envelopes on the shear stress versus suction plane are nonlinear and showed b higher than ’, for low suction values. The results showed that undisturbed specimens in saturated conditions presented shear strength parameters and shear strength higher than the remolded specimens. However, in the unsaturated condition the remolded specimens showed higher shear strength than undisturbed specimens. The Hollow Cylinder test results indicated that the intermediate principal stress has influence on shear strength of the soil. By varying the direction of major principal stress it was noticed an anisotropic behavior in the remolded specimens. In terms of shear strength parameters triaxial and hollow cylinder tests presented consistent results as it was observed in the literature. Some of the models used to predict the shear strength, based on basic parameters of the soil AV, have not shown good matches for both, undisturbed and remolded conditions. Based on statistical analysis, it was possible to obtain two adjustment equations being a linear exponential to the undisturbed conditions and a parabolic for the remolded condition.

A mecânica dos solos não saturados tem se tornado um importante tema de pesquisas dedicadas a entender o comportamento dos solos não saturados e otimizar sua utilização em várias obras civis. A curva de retenção de água, definida como a relação entre a sucção e a quantidade de água presente no solo, é considerada um elemento chave na interpretação do comportamento e propriedades dos solos não saturados tais como a condutividade hidráulica e a resistência ao cisalhamento. Este trabalho apresenta a estrutura de um banco de dados projetado para armazenar informações de solos brasileiros com enfoque nas características de retenção de água. O banco de dados inclui a curva de retenção e os parâmetros de ajuste das equações de van Genuchten (1980) e Fredlund & Xing (1994), assim como informações das características dos solos como índices físicos, classificações dos solos, análises granulométricas, índices de consistência e localização e estado da amostra. Além da estimativa da função condutividade hidráulica, o banco de dados oferece duas ferramentas que permitem a pesquisa rápida ou detalhada das informações e os dados armazenados podem ser mostrados na tela ou em relatórios impressos / Unsaturated soil mechanics has become an important subject of research devoted to understand the behavior of unsaturated soils and optimize their use in several civil works. The soil-water characteristic curve, defined as the relationship between the suction and the amount of water present in the soil, is considered as the key in the interpretation of the behavior and properties of unsaturated soils, such as the hydraulic conductivity and the shear strength. This paper presents the structure of a database designed to store information of brazilian soils with focus in the characteristics of water retention. The database includes the retention curves and the parameters of adjusted van Genuchten and Fredlund & Xing equations and also information of soil characteristics such as physical indexes, soil classifications, particle-size analysis, consistency indexes and location and kind of used samples. Beyond the estimate of hydraulic conductivity, the database presents two search tools that allow for quick and detailed recovering of information and stored data can be displayed on screen or in printed reports

Submitted by Fábio Visnadi Prado Soares null (fvps@hotmail.com) on 2018-02-28T12:38:57Z No. of bitstreams: 1 Dissertação - Soares, F V P - 2017 - VF - REPOSITORIO.pdf: 6006217 bytes, checksum: c8b6c04c1ed994f7a112e592011d919b (MD5) / Approved for entry into archive by Maria Marlene Zaniboni null (zaniboni@bauru.unesp.br) on 2018-02-28T17:41:25Z (GMT) No. of bitstreams: 1 soares_fvp_me_bauru.pdf: 6006217 bytes, checksum: c8b6c04c1ed994f7a112e592011d919b (MD5) / Made available in DSpace on 2018-02-28T17:41:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 soares_fvp_me_bauru.pdf: 6006217 bytes, checksum: c8b6c04c1ed994f7a112e592011d919b (MD5) Previous issue date: 2018-01-26 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / O comportamento dos solos não saturados é um tema amplamente estudado, tanto por meio de ensaios de laboratório quanto de campo. Fenômenos como o colapso dos solos são relativamente bem explicados pelos modelos elastoplásticos existentes, dos quais o Modelo Básico de Barcelona é um dos mais utilizados e difundidos no meio acadêmico. Apesar dos avanços obtidos, ainda existe certa escassez de estudos que comparem o comportamento previsto por tais modelos a resultados de situações reais de engenharia. Esta pesquisa teve como objetivo simular numericamente resultados de recalques devidos a carregamentos e inundação de provas de carga em placa e de protótipos de sapata construídas sobre solo natural e compactado em cava. Com os resultados buscou-se analisar a eficiência da técnica de compactação para mitigar o problema do colapso do solo. Para isso, ensaios de compressão triaxial e edométricos com sucção controlada, bem como ensaios de curva de retenção e condutividade hidráulica foram realizados para determinação dos parâmetros constitutivos hidráulicos e mecânicos do solo natural e compactado que foram utilizados no programa Code_Bright para simulação numérica dos resultados de campo. Os resultados demonstraram a capacidade do modelo em reproduzir o comportamento do solo no campo. Demonstraram também que o uso da compactação do solo que preconiza compactar em cava uma camada de espessura equivalente à largura da sapata é viável para redução da colapsibilidade, mas depende do nível das tensões atuantes nas fundações e da tolerância aos recalques. Tensões propagadas para a camada de solo natural superiores à tensão de pré-adensamento do solo natural saturado provocarão recalques por colapso quando o solo for umedecido. / The behaviour of unsaturated soils is a widely studied theme around the world, both by utilising laboratory and field tests. Phenomena like soil collapsibility are relatively well explained by the existing elastoplastic models, among which the Barcelona Basic Model is the most widely used in the academic field. Despite the recent advances, there is still a scarcity of papers that compare the behaviour predicted by constitutive models and results of real engineering problems. This research aims to numerically simulate the results of settlement due to loading and wetting of load tests built both on undisturbed and compacted soil. The results were analysed in order to study the efficacy of the soil compaction technique in mitigating soil collapse. Suction controlled triaxial compression and oedometer tests, as well as soil water retention curve and hydraulic conductivity experiments were conducted to determine the hydraulic and mechanic parameters used in the software Code_Bright to numerically simulate field results. The results highlight the capability of the model in reproducing the analysed field behaviour. They also show that the technique that involves compaction of the soil equal to the footing’s width is viable to reduce its collapsibility, but its efficacy will also depend on the tensions applied on the foundation and on the tolerable settlement values. Tensions that are propagated to the natural soil layer that are higher than its preconsolidation stress will cause collapse settlements and wetted.

Esta tese tem por objetivo analisar o comportamento mecânico de um solo coluvionar de arenito não saturado (Solo AV) em condições indeformadas e remoldados. Sua localização é na divisa dos estados de Santa Catarina e Rio Grande do Sul. Os corpos de prova foram moldados com o mesmo índice de vazios na condição indeformada e na condição remoldada com o intuito de se avaliar o papel da estrutura deste solo. Para este estudo foi modificado o equipamento triaxial com sucção controlada, apresentado por Pereira (2006), inserindo os medidores de deslocamentos locais nos corpos de prova (sensores de efeito Hall). A partir dos medidores de deformação locais foi possível observar a influência da sucção nos módulos de deformabilidade do solo AV para a condição remoldada. Foram determinadas as envoltórias de resistência ao cisalhamento para os ensaios na condição não saturada para corpos de prova indeformados e remoldados. Na condição não saturada observou-se que o ângulo de atrito interno (’) é influenciado pelo nível de sucção e tensão normal líquida aplicada. As envoltórias no plano tensão cisalhante versus sucção são não lineares e resultam, para baixos valores de sucção, em valores de b sempre superiores a ’. Os resultados indicaram que os corpos de prova indeformados, na condição saturada, apresentaram parâmetros e resistência ao cisalhamento superiores aos corpos de prova remoldados. Entretanto, para a condição não saturada, os corpos de prova remoldados apresentaram resistência ao cisalhamento superiores a dos corpos de prova indeformados. Os resultados dos ensaios do hollow cylinder indicaram que a magnitude da tensão principal intermediária influencia na resistência ao cisalhamento obtida. Pela variação da direção da tensão principal maior observou-se um comportamento anisotrópico nos corpos de prova remoldados. Em termos de parâmetros de resistência ao cisalhamento os ensaios triaxiais e hollow cylinder apresentaram resultados consistentes, de acordo com a literatura. Os principais modelos de previsão de resistência ao cisalhamento existentes, baseados em dados básicos do Solo AV, não apresentaram um bom ajustes para as condições de moldagem. Baseado em análises estatísticas, foi possível obter duas equações de ajuste, sendo uma linear exponencial para a condição indeformada e uma parabólica para a condição remoldada. / This thesis aims to analyze the mechanical behavior of an unsaturated sandstone colluvium soil (Soil AV) in undisturbed and remolded conditions. The colluvium is located on the border of the states of Santa Catarina and Rio Grande do Sul. The specimens were prepared with the same void ratio for undisturbed and remolded conditions in order to evaluate the soil structure. For this study the triaxial apparatus with suction-controll, presented by Pereira (2006), was improved by inserting local displacement traducers (Hall effect sensors). These tranducers allowed the evaluation of the influence of the suction on the Young’s modulus for the soil AV in the remolded condition. Shear strength envelopes were determined based on tests on unsaturated condition on undisturbed and remolded specimens. For the unsaturated condition, it was noted that the internal friction angle ('’) is influenced by the level of suction and net normal stress applied. The shear envelopes on the shear stress versus suction plane are nonlinear and showed b higher than ’, for low suction values. The results showed that undisturbed specimens in saturated conditions presented shear strength parameters and shear strength higher than the remolded specimens. However, in the unsaturated condition the remolded specimens showed higher shear strength than undisturbed specimens. The Hollow Cylinder test results indicated that the intermediate principal stress has influence on shear strength of the soil. By varying the direction of major principal stress it was noticed an anisotropic behavior in the remolded specimens. In terms of shear strength parameters triaxial and hollow cylinder tests presented consistent results as it was observed in the literature. Some of the models used to predict the shear strength, based on basic parameters of the soil AV, have not shown good matches for both, undisturbed and remolded conditions. Based on statistical analysis, it was possible to obtain two adjustment equations being a linear exponential to the undisturbed conditions and a parabolic for the remolded condition.

abstract: Unsaturated soil mechanics is becoming a part of geotechnical engineering practice, particularly in applications to moisture sensitive soils such as expansive and collapsible soils and in geoenvironmental applications. The soil water characteristic curve, which describes the amount of water in a soil versus soil suction, is perhaps the most important soil property function for application of unsaturated soil mechanics. The soil water characteristic curve has been used extensively for estimating unsaturated soil properties, and a number of fitting equations for development of soil water characteristic curves from laboratory data have been proposed by researchers. Although not always mentioned, the underlying assumption of soil water characteristic curve fitting equations is that the soil is sufficiently stiff so that there is no change in total volume of the soil while measuring the soil water characteristic curve in the laboratory, and researchers rarely take volume change of soils into account when generating or using the soil water characteristic curve. Further, there has been little attention to the applied net normal stress during laboratory soil water characteristic curve measurement, and often zero to only token net normal stress is applied. The applied net normal stress also affects the volume change of the specimen during soil suction change. When a soil changes volume in response to suction change, failure to consider the volume change of the soil leads to errors in the estimated air-entry value and the slope of the soil water characteristic curve between the air-entry value and the residual moisture state. Inaccuracies in the soil water characteristic curve may lead to inaccuracies in estimated soil property functions such as unsaturated hydraulic conductivity. A number of researchers have recently recognized the importance of considering soil volume change in soil water characteristic curves. The study of correct methods of soil water characteristic curve measurement and determination considering soil volume change, and impacts on the unsaturated hydraulic conductivity function was of the primary focus of this study. Emphasis was placed upon study of the effect of volume change consideration on soil water characteristic curves, for expansive clays and other high volume change soils. The research involved extensive literature review and laboratory soil water characteristic curve testing on expansive soils. The effect of the initial state of the specimen (i.e. slurry versus compacted) on soil water characteristic curves, with regard to volume change effects, and effect of net normal stress on volume change for determination of these curves, was studied for expansive clays. Hysteresis effects were included in laboratory measurements of soil water characteristic curves as both wetting and drying paths were used. Impacts of soil water characteristic curve volume change considerations on fluid flow computations and associated suction-change induced soil deformations were studied through numerical simulations. The study includes both coupled and uncoupled flow and stress-deformation analyses, demonstrating that the impact of volume change consideration on the soil water characteristic curve and the estimated unsaturated hydraulic conductivity function can be quite substantial for high volume change soils. / Dissertation/Thesis / Ph.D. Civil and Environmental Engineering 2013

FundaÃÃo Cearense de Apoio ao Desenvolvimento Cientifico e TecnolÃgico / Este trabalho compreende um estudo experimental e uma aplicaÃÃo numÃrica sobre os solos nÃo saturados colapsÃveis. Foram realizados ensaios em amostras de solo coletadas em uma jazida, localizada no municÃpio de QuixadÃ, no estado do CearÃ, onde foi construÃda uma pequena barragem com esse material. Foram realizados ensaios de caracterizaÃÃo cujo objetivo à identificar a amostra analisada. Em seguida, realizaram-se ensaios de compactaÃÃo com diferentes energias com o fim de verificar a variaÃÃo entre a massa especÃfica seca e a energia de compactaÃÃo para o solo utilizado no maciÃo da barragem. Posteriormente, ensaios de adensamentos duplo e simples foram executados em amostras com baixos valores de massa especÃfica seca e baixa umidade, visando estudar o fenÃmeno do colapso em solos presumivelmente compactados no ramo seco da curva de compactaÃÃo. Com os resultados dos ensaios realizou-se uma modelagem numÃrica de fluxo e equilÃbrio, com os programas Slide 6.0 e UNSTRUCT, utilizados de forma associada, para previsÃo do comportamento tensÃo x deformaÃÃo (colapso) da barragem experimental. A seÃÃo transversal da barragem à constituÃda no seu nÃcleo, com o material compactado na umidade Ãtima e com a energia de Proctor Normal e espaldares no ramo seco. O objetivo à verificar a eficiÃncia do maciÃo construÃdo com reduÃÃo de custos (diminuiÃÃo de terraplenagem) e reduÃÃo do consumo de Ãgua, que se torna uma soluÃÃo importante para construÃÃo de pequenas barragens no semiÃrido, seÃÃo essa proposta por Miranda (1988). Os estudos experimentais e numÃricos apontaram para uma obra com essas caracterÃsticas e em condiÃÃes de estabilidade.

Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / A common problem of the Brazilian semiarid regions is water scarcity. An alternative to attenuate this severe regional problem consists in storing water during the rainy season, in dams with small storage volumes, usually built with inefficiently compacted embankments, which can contribute to the collapse during the first filling. The main goal of this work is to evaluate a construction methodology for earth dams in semiarid regions, taking into account the problems of inadequate compaction and water shortages. To achieve this, a study was done on a theoretical and experimental basis, in order to better understand the mechanical behavior of small dams that collapse during the first filling. An experimental dam was built in QuixadÃ-CE, following the proposition of Miranda (1988), which suggests a zoned cross section, built with low water content, with a better compacted core and side slopes with less efficient compaction. The embankment of this experimental dam was instrumented with piezometers (standpipes) and limnimetric rules, to monitor the filling and operation stages. Another developed study in this research refers to the avant-garde evaluation of suction in earth dams, using a device developed by researchers from the Department of Agricultural Engineering, at the Federal University of CearÃ, a capacitive sensor. To obtain the geotechnical parameters for the embankment soil, some laboratory tests were performed, such as characterization tests, compaction, consolidation and permeability tests, as well as shear strength and triaxial compression (saturated and unsaturated) ones, and also tests to determine the soil-water characteristic curve (using the filter paper method). The results were used in a numerical modeling of transient flow, using the software Slide, associated with UNSTRUCT, to predict the stress-strain behavior of the experimental dam. The results pointed to the occurrence of collapse in the soil structure of the slopes, which indeed happened after the first filling, since large longitudinal cracks were found in loco. The dam stability was also evaluated, by reducing the shear strength parameters, noting its stability, and thus proving efficient what Miranda (1988) proposed: a zoned embankment built with reduced costs of earthworks and low water consumption, contributing to the development of a low-cost methodology for the construction of small dams in the Brazilian semiarid. / Uma das problemÃticas do semiÃrido nordestino à a escassez de recursos hÃdricos. Para atenuar este forte problema regional, à comum realizar o armazenamento da Ãgua, durante o inverno, em barramentos com pequeno volume de acumulaÃÃo, construÃdos geralmente com maciÃos ineficientemente compactados, o que pode contribuir para a ruptura da obra durante o enchimento. O objetivo principal deste trabalho à avaliar uma metodologia de construÃÃo de barragens de terra em regiÃes semiÃridas, levando em consideraÃÃo os problemas de compactaÃÃo inadequada e escassez de Ãgua. Para tanto, foi empreendido um estudo, a partir de bases teÃricas e experimentais, a fim de melhor entender o comportamento mecÃnico de pequenas barragens que entram em colapso durante seu primeiro enchimento. Para tanto, foi construÃda uma barragem experimental no MunicÃpio de QuixadÃ-CE, seguindo a proposta de Miranda (1988), que sugere uma seÃÃo-tipo zoneada, construÃda com baixa umidade, tendo o nÃcleo melhor compactado e os espaldares executados com compactaÃÃo menos eficiente. O maciÃo desta barragem experimental foi, entÃo, instrumentado, com piezÃmetros e rÃguas linimÃtricas, para monitorar o enchimento e a operaÃÃo. Outro estudo desenvolvido nesta pesquisa foi o emprego vanguardista, na avaliaÃÃo da sucÃÃo em barragens de terra, de um equipamento desenvolvido por pesquisadores da Engenharia AgrÃcola da Universidade Federal do Cearà (UFC), para a determinaÃÃo da umidade do solo, um sensor capacitivo. Para a obtenÃÃo dos parÃmetros geotÃcnicos do maciÃo, foram realizados ensaios de caracterizaÃÃo, compactaÃÃo, adensamento duplo, permeabilidade e cisalhamento direto e de compressÃo triaxial (saturado e nÃo saturado), alÃm de ensaios para a determinaÃÃo da curva de retenÃÃo do solo (mÃtodo do papel de filtro). Os resultados foram utilizados em uma modelagem numÃrica de fluxo em regime transiente, com o auxÃlio do programa Slide, associados ao UNSTRUCT, para a previsÃo do comportamento tensÃo x deformaÃÃo do solo da barragem experimental. As anÃlises indicaram a ocorrÃncia de colapso da estrutura do solo dos taludes, fenÃmeno observado in loco apÃs o enchimento, jà que a obra apresentou grandes trincas longitudinais em seus taludes. A estabilidade da barragem tambÃm foi avaliada, atravÃs da reduÃÃo dos parÃmetros de resistÃncia ao cisalhamento, constatando sua estabilidade, e comprovando, assim, a eficiÃncia da proposta de Miranda (1988), de um maciÃo zoneado construÃdo com reduÃÃo de custos de terraplenagem e do consumo de Ãgua, contribuindo para o desenvolvimento de uma metodologia de baixo custo para a construÃÃo de pequenas barragens no semiÃrido brasileiro.