This thesis presents the results of an investigation of factors which influence the geotechnical properties of frozen mine backfill (FMB). FMB has extensive application potential for mining in permafrost areas. The uniaxial compressive strength (UCS) of hardened backfill is often used to evaluate mine backfill stability. However, the deformation behaviour and stiffness of the FMB are also key design properties of interest. In this thesis, uniaxial compressive tests were conducted on FTB and FCPB samples. Information about the geotechnical properties of FMB is obtained. The effects of FMB mix components and vertical compression pressure on the geotechnical properties of FMB are discussed and summarized. An optimum total water content of 25%-35% is found in which the strength and the modulus of elasticity of the FTB are 1.4-3.2 MPa and 35-58 MPa, respectively. It is observed that a small amount (3-6%) of cement can significantly change the geotechnical properties of FTB.

Engenheiros geotécnicos, defrontam-se frequentemente com solos de baixa capacidade de suporte. Para viabilizar projetos nestes materiais, pode-se utilizar fundações com grandes dimensões e/ou melhorar a propriedades mecânicas destes solos. Fundações de grandes dimensões podem ser extremamente onerosas e gerar impactos ambientais indesejáveis provocados por grandes movimentações de solo. Em contrapartida, o melhoramento das propriedades mecânicas do solo pode ser obtido por meio de tratamento com agentes cimentantes. Esta técnica tem-se mostrado bastante promissora nas diversas subáreas da geotecnia, como por exemplo, leito e subleito de pavimentação, estabilidade de taludes e terrenos para assentamento de fundações à compressão. A utilização desta técnica em fundações escavadas submetidas à tração ainda é incipiente. Até meados dos anos 1950, os métodos de previsão de desempenho consideravam somente o peso do solo contido em uma superfície ruptura somado ao peso da fundação, como contribuindo na capacidade de carga ao arrancamento. Estudos recentes passaram a incluir uma terceira parcela de resistência devido à resistência ao cisalhamento do solo. A partir de então diversos autores passaram a estudar técnicas de melhoramento e reforços dos reaterros. Num primeiro momento, foi estudada a influência das técnicas de compactação do reaterro e a substituição do material por outro com melhores propriedades. Atualmente, os estudos concentram-se no reforço dos reaterros com geossintéticos e adição de agentes cimentícios. Neste contexto, o objetivo deste trabalho é realizar um estudo avaliando os benefícios gerados pelo aumento da capacidade de carga, de fundações escavadas e reaterradas com areia fina e homogênea (proveniente da cidade de Osório/RS), cimentada, avaliando sua influência em termos das propriedades geométricas (diâmetro das fundações, profundidade de assentamento e diâmetro de tratamento) e geotécnicas (coesão, ângulo de atrito e módulo de elasticidade, influenciados pelo teor de cimento). Para tanto foram realizadas provas de carga à tração, variando-se o diâmetro (30 e 45 cm), profundidades de embutimentos (entre 0,5 e 2,0), e teores de cimento (0%, 3% e 7%). Através das provas de carga, verificou-se que o aumento do teor de cimento e da profundidade de assentamento aumentam a capacidade de carga à tração. Os resultados experimentais foram reproduzidos pelo método de elementos finitos por meio de retroanálise. A partir do modelo numérico gerado pela retroanálise, foram executadas duas análises paramétricas. Na primeira foram definidos os parâmetros significativos – coesão e embutimento – e determinada uma equação adimensional para determinação da carga máxima para tratamento de uma camada infinita. Na segunda análise foram definidos ábacos para determinação da perda de carga em função da redução do diâmetro de tratamento, para três níveis de cimentação – baixa, média e alta. / Geotechnical engineers frequently have to deal with soils that have reduced strength. In order to carry out the design of footings in such materials, their base has to be quite large and/or mechanical properties of the soils have to be improved. Shallow foundations of large dimensions can be extremely expensive and generate undesirable environmental impacts due to large soil movements. As an alternative, the improvement of mechanical properties of the local soil can be obtained by treating it with cementitious agents. Such technique has been used with success in several earthworks such as the improvement of base and sub-base of pavements, slope stability and particularly as a soil-cement mixture of a compacted layer over a low bearing capacity soil. The use of such technique in footings subjected to pullout forces is still insipient. Until middle 1950’s, pullout design methodologies of shallow foundations embedded in soil backfills considered only the weight of the soil contained inside a specific failure surface plus the foundation self-weight as the pullout failure load. Further studies included the shear strength of the soil at the failure surface. Since then several authors considered several techniques to improve and/or reinforce the backfills. At first the influence of backfill compaction and material substitution to improve soil properties were considered. Nowadays, studies concentrate in the reinforcement of backfills with geosynthetics and in the addition of cementitious agents. In such context, the main aim of present work is to carry out a research evaluating the benefits towards the improvement of uplift performance of footings embedded in cemented stabilized backfill, analyzing the influence of the geometrical characteristics of the problem (diameter of the footings, depth of embedment and size of the improved area) and geotechnical properties of the backfill (cohesion intercept, friction angle and Young’s modulus), the latter influenced by the amount of cementitious agents inserted on the soil. For doing so, several pullout tests were carried out varying foundation diameter (0.30 and 0.45 m), embedment depth according foundation diameter (ranging from 0.5 e 2.0) and cement contents (0%, 3% and 7%) in the stabilized backfill. Results of pullout tests have shown that the increase of cement content and embedment depth of the backfill increased uplift capacity. Field results were reproduced through a back-analysis using the finite element technique. In the sequence, two distinct parametrical analyses were also carried out. In the first analysis the parameters that show significance were cohesion intercept and embedment depth – a non-dimensional equation determining the failure pullout load (considering infinite horizontal improvement) was determined. In the second analysis distinct abacus were produced to allow considering reduction of horizontal treatment area for three cementation levels – low, medium e high.

Engenheiros geotécnicos, defrontam-se frequentemente com solos de baixa capacidade de suporte. Para viabilizar projetos nestes materiais, pode-se utilizar fundações com grandes dimensões e/ou melhorar a propriedades mecânicas destes solos. Fundações de grandes dimensões podem ser extremamente onerosas e gerar impactos ambientais indesejáveis provocados por grandes movimentações de solo. Em contrapartida, o melhoramento das propriedades mecânicas do solo pode ser obtido por meio de tratamento com agentes cimentantes. Esta técnica tem-se mostrado bastante promissora nas diversas subáreas da geotecnia, como por exemplo, leito e subleito de pavimentação, estabilidade de taludes e terrenos para assentamento de fundações à compressão. A utilização desta técnica em fundações escavadas submetidas à tração ainda é incipiente. Até meados dos anos 1950, os métodos de previsão de desempenho consideravam somente o peso do solo contido em uma superfície ruptura somado ao peso da fundação, como contribuindo na capacidade de carga ao arrancamento. Estudos recentes passaram a incluir uma terceira parcela de resistência devido à resistência ao cisalhamento do solo. A partir de então diversos autores passaram a estudar técnicas de melhoramento e reforços dos reaterros. Num primeiro momento, foi estudada a influência das técnicas de compactação do reaterro e a substituição do material por outro com melhores propriedades. Atualmente, os estudos concentram-se no reforço dos reaterros com geossintéticos e adição de agentes cimentícios. Neste contexto, o objetivo deste trabalho é realizar um estudo avaliando os benefícios gerados pelo aumento da capacidade de carga, de fundações escavadas e reaterradas com areia fina e homogênea (proveniente da cidade de Osório/RS), cimentada, avaliando sua influência em termos das propriedades geométricas (diâmetro das fundações, profundidade de assentamento e diâmetro de tratamento) e geotécnicas (coesão, ângulo de atrito e módulo de elasticidade, influenciados pelo teor de cimento). Para tanto foram realizadas provas de carga à tração, variando-se o diâmetro (30 e 45 cm), profundidades de embutimentos (entre 0,5 e 2,0), e teores de cimento (0%, 3% e 7%). Através das provas de carga, verificou-se que o aumento do teor de cimento e da profundidade de assentamento aumentam a capacidade de carga à tração. Os resultados experimentais foram reproduzidos pelo método de elementos finitos por meio de retroanálise. A partir do modelo numérico gerado pela retroanálise, foram executadas duas análises paramétricas. Na primeira foram definidos os parâmetros significativos – coesão e embutimento – e determinada uma equação adimensional para determinação da carga máxima para tratamento de uma camada infinita. Na segunda análise foram definidos ábacos para determinação da perda de carga em função da redução do diâmetro de tratamento, para três níveis de cimentação – baixa, média e alta. / Geotechnical engineers frequently have to deal with soils that have reduced strength. In order to carry out the design of footings in such materials, their base has to be quite large and/or mechanical properties of the soils have to be improved. Shallow foundations of large dimensions can be extremely expensive and generate undesirable environmental impacts due to large soil movements. As an alternative, the improvement of mechanical properties of the local soil can be obtained by treating it with cementitious agents. Such technique has been used with success in several earthworks such as the improvement of base and sub-base of pavements, slope stability and particularly as a soil-cement mixture of a compacted layer over a low bearing capacity soil. The use of such technique in footings subjected to pullout forces is still insipient. Until middle 1950’s, pullout design methodologies of shallow foundations embedded in soil backfills considered only the weight of the soil contained inside a specific failure surface plus the foundation self-weight as the pullout failure load. Further studies included the shear strength of the soil at the failure surface. Since then several authors considered several techniques to improve and/or reinforce the backfills. At first the influence of backfill compaction and material substitution to improve soil properties were considered. Nowadays, studies concentrate in the reinforcement of backfills with geosynthetics and in the addition of cementitious agents. In such context, the main aim of present work is to carry out a research evaluating the benefits towards the improvement of uplift performance of footings embedded in cemented stabilized backfill, analyzing the influence of the geometrical characteristics of the problem (diameter of the footings, depth of embedment and size of the improved area) and geotechnical properties of the backfill (cohesion intercept, friction angle and Young’s modulus), the latter influenced by the amount of cementitious agents inserted on the soil. For doing so, several pullout tests were carried out varying foundation diameter (0.30 and 0.45 m), embedment depth according foundation diameter (ranging from 0.5 e 2.0) and cement contents (0%, 3% and 7%) in the stabilized backfill. Results of pullout tests have shown that the increase of cement content and embedment depth of the backfill increased uplift capacity. Field results were reproduced through a back-analysis using the finite element technique. In the sequence, two distinct parametrical analyses were also carried out. In the first analysis the parameters that show significance were cohesion intercept and embedment depth – a non-dimensional equation determining the failure pullout load (considering infinite horizontal improvement) was determined. In the second analysis distinct abacus were produced to allow considering reduction of horizontal treatment area for three cementation levels – low, medium e high.

Engenheiros geotécnicos, defrontam-se frequentemente com solos de baixa capacidade de suporte. Para viabilizar projetos nestes materiais, pode-se utilizar fundações com grandes dimensões e/ou melhorar a propriedades mecânicas destes solos. Fundações de grandes dimensões podem ser extremamente onerosas e gerar impactos ambientais indesejáveis provocados por grandes movimentações de solo. Em contrapartida, o melhoramento das propriedades mecânicas do solo pode ser obtido por meio de tratamento com agentes cimentantes. Esta técnica tem-se mostrado bastante promissora nas diversas subáreas da geotecnia, como por exemplo, leito e subleito de pavimentação, estabilidade de taludes e terrenos para assentamento de fundações à compressão. A utilização desta técnica em fundações escavadas submetidas à tração ainda é incipiente. Até meados dos anos 1950, os métodos de previsão de desempenho consideravam somente o peso do solo contido em uma superfície ruptura somado ao peso da fundação, como contribuindo na capacidade de carga ao arrancamento. Estudos recentes passaram a incluir uma terceira parcela de resistência devido à resistência ao cisalhamento do solo. A partir de então diversos autores passaram a estudar técnicas de melhoramento e reforços dos reaterros. Num primeiro momento, foi estudada a influência das técnicas de compactação do reaterro e a substituição do material por outro com melhores propriedades. Atualmente, os estudos concentram-se no reforço dos reaterros com geossintéticos e adição de agentes cimentícios. Neste contexto, o objetivo deste trabalho é realizar um estudo avaliando os benefícios gerados pelo aumento da capacidade de carga, de fundações escavadas e reaterradas com areia fina e homogênea (proveniente da cidade de Osório/RS), cimentada, avaliando sua influência em termos das propriedades geométricas (diâmetro das fundações, profundidade de assentamento e diâmetro de tratamento) e geotécnicas (coesão, ângulo de atrito e módulo de elasticidade, influenciados pelo teor de cimento). Para tanto foram realizadas provas de carga à tração, variando-se o diâmetro (30 e 45 cm), profundidades de embutimentos (entre 0,5 e 2,0), e teores de cimento (0%, 3% e 7%). Através das provas de carga, verificou-se que o aumento do teor de cimento e da profundidade de assentamento aumentam a capacidade de carga à tração. Os resultados experimentais foram reproduzidos pelo método de elementos finitos por meio de retroanálise. A partir do modelo numérico gerado pela retroanálise, foram executadas duas análises paramétricas. Na primeira foram definidos os parâmetros significativos – coesão e embutimento – e determinada uma equação adimensional para determinação da carga máxima para tratamento de uma camada infinita. Na segunda análise foram definidos ábacos para determinação da perda de carga em função da redução do diâmetro de tratamento, para três níveis de cimentação – baixa, média e alta. / Geotechnical engineers frequently have to deal with soils that have reduced strength. In order to carry out the design of footings in such materials, their base has to be quite large and/or mechanical properties of the soils have to be improved. Shallow foundations of large dimensions can be extremely expensive and generate undesirable environmental impacts due to large soil movements. As an alternative, the improvement of mechanical properties of the local soil can be obtained by treating it with cementitious agents. Such technique has been used with success in several earthworks such as the improvement of base and sub-base of pavements, slope stability and particularly as a soil-cement mixture of a compacted layer over a low bearing capacity soil. The use of such technique in footings subjected to pullout forces is still insipient. Until middle 1950’s, pullout design methodologies of shallow foundations embedded in soil backfills considered only the weight of the soil contained inside a specific failure surface plus the foundation self-weight as the pullout failure load. Further studies included the shear strength of the soil at the failure surface. Since then several authors considered several techniques to improve and/or reinforce the backfills. At first the influence of backfill compaction and material substitution to improve soil properties were considered. Nowadays, studies concentrate in the reinforcement of backfills with geosynthetics and in the addition of cementitious agents. In such context, the main aim of present work is to carry out a research evaluating the benefits towards the improvement of uplift performance of footings embedded in cemented stabilized backfill, analyzing the influence of the geometrical characteristics of the problem (diameter of the footings, depth of embedment and size of the improved area) and geotechnical properties of the backfill (cohesion intercept, friction angle and Young’s modulus), the latter influenced by the amount of cementitious agents inserted on the soil. For doing so, several pullout tests were carried out varying foundation diameter (0.30 and 0.45 m), embedment depth according foundation diameter (ranging from 0.5 e 2.0) and cement contents (0%, 3% and 7%) in the stabilized backfill. Results of pullout tests have shown that the increase of cement content and embedment depth of the backfill increased uplift capacity. Field results were reproduced through a back-analysis using the finite element technique. In the sequence, two distinct parametrical analyses were also carried out. In the first analysis the parameters that show significance were cohesion intercept and embedment depth – a non-dimensional equation determining the failure pullout load (considering infinite horizontal improvement) was determined. In the second analysis distinct abacus were produced to allow considering reduction of horizontal treatment area for three cementation levels – low, medium e high.

This thesis presents the results of an investigation of factors which influence the geotechnical properties of frozen mine backfill (FMB). FMB has extensive application potential for mining in permafrost areas. The uniaxial compressive strength (UCS) of hardened backfill is often used to evaluate mine backfill stability. However, the deformation behaviour and stiffness of the FMB are also key design properties of interest. In this thesis, uniaxial compressive tests were conducted on FTB and FCPB samples. Information about the geotechnical properties of FMB is obtained. The effects of FMB mix components and vertical compression pressure on the geotechnical properties of FMB are discussed and summarized. An optimum total water content of 25%-35% is found in which the strength and the modulus of elasticity of the FTB are 1.4-3.2 MPa and 35-58 MPa, respectively. It is observed that a small amount (3-6%) of cement can significantly change the geotechnical properties of FTB.

Thss thesis presents the results of an experimental programme on the static mono-tonic response of cohesive-frictional granular materials. The purpose of this experimental programme was to gain insight into the mechanical behaviour of uncemented sands, and sands with small percentages of cementation. With this objective in sight, the research involved understanding and delineating the e ects of four variables: the intermediate principal stress, stress inclination, cohesion (or cementation), and particle morphology. The hollow cylinder torsion (HCT) apparatus, which allows control over both the magnitude and direction of principal stresses, was used in this study to carry out a series of elemental tests on the model materials. The test results were analysed in a plasticity theory based framework of critical state soil mechanics. Drained and undrained HCT tests were conducted on a model angular sand to understand the combined influence of intermediate principal stress ratio (b) and principal stress inclination ( ). Sand specimens were reconstituted to a given density and confining pressure, and were sheared to large strains towards a critical state. The stresses at the critical state with varying `b' were mapped on an octahedral plane to obtain a critical state locus. The shape of this locus closely resembles a curved triangle. Also these specimens showed increased non-coaxiality between the stress and strain increment directions at lower strains. This non-coaxiality decreased significantly, and the response at the critical state was by and large coaxial. The effect of `b' and ` ' on the flow potential, phase transformation, and critical state was also investigated. At phase transformation, ` ' plays a more dominant role in determining the flow potential than `b'. The shape and size of the critical state locus remained the same immaterial of the drainage conditions. Next, small amounts of cohesion (using ordinary Portland cement) was added to this sand ensemble to study the mechanical behaviour of weakly cemented sands. The peak in the stress strain curve was used to signal the breakdown of cohesion further leading to a complete destructuring of the sand at the critical state. The response of the cemented sand changes from brittle to ductile with increase in confining pressure, while reverses with increase in density and `b'. Stress-dilatancy response for the weakly cemented materials shows the non coincidence of peak stress ratio and maximum value of dilation unlike purely frictional materials. This mismatch in peak stress ratio and maximum dilation diminishes with increase in confining pressure. The peak stress (cemented structured sand) locus and the critical state (destructured) locus were constructed on the octahedral plane from these HCT tests. The critical state locus of the cemented sand when it is completely destructured almost coincides with the critical state locus of the clean sand. Using this experimental data set, some important stress-dilatancy relationships (like Zhang and Salgado) and failure criteria (Lade's isotropic single hardening failure criteria and SMP failure criteria) were benchmarked and their prediction capabilities of such models were discussed in detail. The effect of particle morphology was also investigated in this testing programme. Rounded glass ballotini and angular quartzitic sand which occupy two extreme shapes were selected, and a series of HCT tests at different `b' values were con-ducted. A larger sized CS locus was obtained for angular particles and it encompassed the critical state locus of the spherical glass ballotini. Spherical particles exhibit a predominantly dilative behaviour, however present a lower strength at the critical state. The mobilization of strength as a result of rearrangement of angular particles and the consequent interlocking is higher. Even with contractive behaviour which is reflected in the higher values of critical state friction angle and the larger size of the yield locus for sand. Finally, a series of unconfined compression tests were performed to understand if there exists a scale separation in cohesive frictional materials. Specimens were reconstituted to a range of sizes while maintaining a constant aspect ratio and density. As the specimen size increased, the peak strength also increases, counter to an idea of a generalized continuum for all model systems. The observed secondary length scale (in addition to the continuum length scale) is obverse to the one observed in quasi-brittle materials such as concrete, rock. In order to ascertain the reason behind this phenomenon, a series of tomography studies were carried out on these contact-bound ensembles. The presence of cohesion between the grains brings about an \entanglement" between the grains, which contributes to increase in strength, with increase in the size of the sample. This in e ect bringing forth a second length scale that controls the behaviour of these cohesive frictional granular materials. This experimental data set provides quantification of various aspects of the me-chanical response of both cemented and uncemented granular materials under myriad stress conditions. This data set is also extremely useful in developing and bench-marking constitutive models and simulations.

Com uma necessidade cada vez maior da utilização de materiais mais sustentáveis na construção civil, existe uma grande busca por novas substâncias que possam suprir as nossas necessidades de maneira mais “limpa”. O presente trabalho tem como foco propor uma metodologia de dosagem para a obtenção de solos artificialmente cimentados, com determinadas resistências e rigidezes, de maneira que eles sejam duráveis, com a adição de diferentes resíduos. O solo inicialmente estudado é a areia de Osório e os resíduos são a cal de carbureto e o pó de vidro. A cal de carbureto consiste basicamente de hidróxido de cálcio e o pó de vidro de sílica em estado amorfo, gerando assim uma combinação adequada para a ocorrência das reações pozolânicas. A metodologia de dosagem proposta relaciona as propriedades dos materiais com o fator η/Biv0,28, aos sete dias de cura, sendo η a porosidade do solo artificialmente cimentado e, Biv o teor volumétrico de agente cimentante no interior do mesmo (neste caso pó de vidro e cal de carbureto). O expoente externo 0,28 se assemelha ao encontrado em outras metodologias de dosagem para solos artificialmente cimentados com cimento Portland Com a finalidade de validar a metodologia proposta, para condições distintas das analisadas, foram executados ensaios com diferentes períodos de cura (180 dias), diferentes resíduos (cinza de casca de arroz) e um solo distinto (arenito Botucatu), chegando também a correlações do comportamento mecânico destes materiais com o fator η/Biv0,28. Os dados obtidos nesta pesquisa foram comparados com os resultados de outros pesquisadores que utilizaram cal com cinza volante de usinas de carvão juntamente com cal hidratada e de outros trabalhos que utilizaram cimento Portland, todos para criar solos artificialmente cimentados, e, mais uma vez, a metodologia proposta se mostrou eficaz. Foi possível ainda normalizar em função de um valor médio todos os resultados de rigidez, resistência e durabilidade obtendo assim equações únicas em função de η/Biv0,28 para todos os materiais analisados, chegando a uma correlação com mais de 1000 pontos no caso da resistência. / With a growing need for the use of more sustainable materials in construction, there is a great search for new substances that can meet our needs in a "cleaner" way. The present work aims to propose a dosing methodology for obtaining artificially cemented soils, with certain strengths and stiffness, so that they are durable, with the addition of different residues. The initially studied soil is the Osório sand and the residues are carbide lime and glass powder. The carbide lime basically consists of calcium hydroxide and the glass powder consists of silica in the amorphous state, thus generating a great combination for the occurrence of the pozolanic reactions. The proposed dosage methodology relates the properties of the materials with the factor η/Biv0.28, at the seven days of curing, in which η is the porosity of the artificially cemented soil and Biv is the volumetric content of the cementitious agent inside it (in this case powder glass and carbide lime) The external exponent 0.28 resembles that found in other dosing methodologies for artificially cemented soils with Portland cement. The methodology led to a unique correlation for all the dosages used. To validate the hypothesis which was raised, tests were carried out with different curing periods (180 days), different residues (rice husk ash) and a different soil (Botucatu sandstone), reaching optimum correlations. The data obtained in this research were compared with the results of other researchers who used lime with fly ash from coal plants together with hydrated lime and from other works that used Portland cement, all to create artificially cemented soils, and, once again, the proposed methodology proved to be excellent. It was also possible to normalize all the results of stiffness, strength and durability thus obtaining unique equations as a function of η/Biv0.28 for all materials analyzed, reaching a correlation with more than 1000 points.

Os ensaios em solos sob altas pressões tiveram seu interesse renovado nos últimos anos em parte devido a trabalhos que anseiam por uma investigação mais profunda da mecânica dos solos fundamental a altas pressões para aplicação de modelos constitutivos em solos granulares. Para desenvolvimento desses modelos é necessária uma completa compreensão do comportamento volumétrico dos solos, assim como a aplicação da teoria do estado crítico aos mesmos, o que requer ensaios em níveis de tensões que são ordens de magnitude maiores que os aplicados na maioria das estruturas de engenharia no caso de solos arenosos. Este trabalho estudou o comportamento mecânico de materiais compósitos constituídos a partir da utilização de um solo arenoso, cimento Portland CP-V e fibras de polipropileno sob altas pressões. O solo utilizado foi uma areia fina de granulometria uniforme extraída de uma jazida localizada no município de Osório - RS. Ensaios de compressão isotrópica sob altas pressões foram realizados em amostras de areia, areia-fibra, areia-cimento e areia-cimentofibra, em uma variedade de volumes específicos iniciais. Os resultados indicaram mudanças no comportamento do material não reforçado devido à inclusão de fibras e/ou cimento. Foram observadas linhas de compressão normal distintas e paralelas para cada mistura. Os comprimentos das fibras, medidos após a aplicação de altas tensões, mostraram que algumas fibras sofreram quebra e outras extensão, indicando que as fibras trabalham em compressão isotrópica. Um aumento do modulo volumétrico devido à presença de ambos: fibras e cimento foi observado. Uma redução na quebra das partículas devido à presença de fibras também foi observada. Para o estudo do estado crítico, ensaios triaxiais isotropicamente consolidados drenados levados a deformações cisalhantes de até 40% foram realizados. As envoltórias de estado crítico dos materiais reforçados no plano p': q apresentaram-se bi-lineares. As linhas de estado crítico no plano v:lnp' para a areia com e sem reforço mostraram-se inicialmente distintas e curvilíneas certo nível de tensões, a partir do qual convergiram para uma única LEC. O material cimentado apresentou o mesmo comportamento do material não cimentado no estado crítico, assim como o material cimentado reforçado em relação ao solo reforçado sem cimentação. Mesmo a tensões confinantes baixas as fibras apresentaram alongamento e ruptura para o nível de deformações cisalhantes atingidas. O aumento da tensão de confinamento ocasionou progressiva ruptura das fibras e a perda gradual da sua atuação benéfica sobre o comportamento do solo. A cimentação pode aumentar a eficiência deste sistema melhorando o ancoramento das fibras, permitindo que as fibras atuem mais efetivamente na matriz, ao menos para as tensões mais baixas. / Nowadays the interest in soil testing under high stresses has been renewed dueto the greater depths reached by foundation structures as well as the need of a better understanding of fundamental soil behaviour and its application in soil models for granular materiais. To develop these models it is necessary a complete understanding of the volumetric behaviour of soils and the application of Critical State theory, which for granular materiais require triaxial tests at stresses much higher than those typical on the majority of the engineering structures. This work studied the mechanical behaviour of composite materiais, using sand, Portland cement CP-V and polypropylene fibres, under high stresses. The soil used in this study is an uniform fine sand extracted from a quarry in Osório - RS. High stress isotropic triaxial tests were undertaken in samples of sand, sand-fibre, sand-cement and sand-cement-fibre in a variety of initial specific volumes. Comparison between the test results indicated changes on the behaviour of the un-reinforced material due to the inclusion of fibres and/or cement. Distinct and parallel normal compression lines were observed for every mixture. The fibre lengths, measured after high pressure application, have shown that some fibres suffered an elongation and others were broken, indicating that fibres work in tension under isotropic compression. An increase in bulk modulus was observed in the presence of both: fibres and cement. Reduced amounts of particle breakage were also found in the mixtures containing fibres. To better determine critical state the samples were sheared up to 40% of shear deformation after the isotropic consolidation took place. The critical state envelopes of the reinforced materials, in the stress space p': q, have shown a bi-linear behaviour. The critical state line in the space v:lnp' for the sand and reinforced sand was distinct and curved and converged to a stress threshold, becoming linear and unique. On the critical state the cemented material have shown the same behaviour as the uncemented soil. The same happened to the cemented reinforced material related to the reinforced soil. It can be seen that even at small stresses the fibres present elongation and rupture after reaching high strains. The increase in confining stress led to a progressive rupture ofthe fibres anda gradual loss of the benefit of having fibres mixed in the soil. Cementation can increase the efficiency of the system, improving the bonding between fibres and soil particles, this allow the fibres to be more effective in the soil matrix, at least at low stress levels.

Com o crescimento dos grandes centros urbanos e expansão da ação do homem sobre a natureza, muitos projetos de engenharia se tornam inviáveis devido a inexistência de solos que atendam as solicitações necessárias no local, elevados custos de transporte e excessivos danos ambientais. Uma das alternativas existentes é a melhoria das condições destes solos e entre as múltiplas técnicas para melhoramento encontram-se os solos artificialmente cimentados, os quais têm como uma de suas mais corriqueiras utilizações em campo a resistência a solicitações cíclicas, principalmente na construção de pavimentos, o reforço de áreas suscetíveis a sismos e a fundação de estruturas costeiras. Assim esta pesquisa estuda o comportamento cíclico de uma determinada areia artificialmente cimentada, aferindo sua resistência a compressão simples, módulo cisalhante, sucção e focando nos parâmetros módulo de resiliência e vida de fadiga e busca correlacioná-los com a razão porosidade/teor volumétrico de cimento. Para tanto, foi projetado e construído um equipamento para realização dos ensaios de fadiga e calibrado outro equipamento já existente para execução de ensaios de módulo de resiliência conforme a norma vigente. Em conjunto com os resultados dos ensaios, são apresentadas uma relação de previsão do módulo com base no modelo composto de estado de tensões e correlações satisfatórias dos parâmetros cíclicos obtidos com a razão porosidade/teor volumétrico de cimento, comprovando a possibilidade de seu uso na previsão do comportamento e dosagem deste solo-cimento. / With the growth of large urban centers and expansion of human activities, many engineering projects become infeasible due to the absence of soils that meet the necessary requests on site, high transportation costs and excessive environmental damage. One of the alternatives is to improve the conditions of these soils and, among multiple improvement techniques, the artificially cemented soil is highlighted. This practice has one of its most usual applications on the field to improve materials strength to cyclic loads, especially in pavement designs, reinforcement of areas susceptible to earthquakes and foundations of coastal structures. This research studies the cyclic behavior of a artificially cemented sand, checking its compressive strength, shear modulus, suction and focusing on the resilient modulus and fatigue life parameters. Additionally it seeks to correlate them with the porosity/volumetric cement content ratio. To this end it was designed and built a device for carrying out the fatigue tests and calibrated another existing equipment to run resilient modulus tests according to current standards. Along with the tests results, a modulus prediction relationship is shown based on the composite model of stress state and good correlations of cyclic parameters obtained with the porosity/volumetric content of cement ratio are observed proving the possibility of its use for predicting behavior and dosage of this soil-cement.

[Truncated abstract] Characterising the behaviour of calcareous sediments that possess some degree of bonding between their constituents has attracted worldwide research interest in recent years. Although many recent studies have made significant contributions in delineating the behaviour of these sediments, there is still paucity of information particularly on the cyclic behaviour of cemented calcareous soils. This thesis describes in detail the characteristic features of cemented calcareous soils and proposes methods for characterising their cyclic behaviour. Two different calcareous soils Goodwyn (GW) and Ledge Point (LP) soils representing extreme depositional environments were examined in this study. Artificially cemented sample were created using the CIPS (Calcite Insitu Precipitation Systems) technique, considering its superiority over other most commonly available cementation techniques in replicating the natural pattern of cementation, and the behaviour of natural calcarenite under monotonic loading conditions. The experimental program involved triaxial testing of both uncemented and calcite-cemented calcareous soils under different loading conditions, i.e. isotropic compression tests to high-pressure (16 MPa), monotonic shearing tests, undrained cyclic shearing tests and undrained monotonic post-cyclic shearing tests. Significant emphasis has been placed on the cyclic behaviour of these soils. Internal submersible LDVTs were used for the accurate and continuous measurement of strain down to about 10-5