When a rigid shaft such as a jacked pile or the sleeve of a cone penetrometer penetrates soil, the soil mass at the shaft tip fails. This failed soil mass flows around the shaft surface and creates a disturbed soil zone. The soil in this zone, which is at a failure or critical state (CS), flows and behaves like a viscous fluid. During continuous penetration, the shaft surface is subjected to an additional viscous shear stress above the static shear stress (interfacial solid friction). The total resistance on the shaft in motion is due to the static and viscous shear components. Current methods of calculating the penetration resistance in soils are based on static interfacial friction, which determine the force required to cause failure at the shaft-soil interface and not the viscous drag. The main aim of this research is to understand the viscous soil resistance on penetrating shafts in clays.This research consists of two components. First, a theoretical analysis based on creeping flow hydrodynamics is developed to study the viscous drag on the shaft. The results of this analysis reveal that the size of the CS zone, the shear viscosity of the soil and velocity of the shaft influence the viscous drag stress. Large increases in viscous drag occur when the size of the CS zone is less than four times the shaft radius.Second, a new experimental procedure to estimate the shear viscosity of clays with water contents less than the liquid limit is developed. Shear viscosity is the desired soil parameter to estimate viscous drag. However, there is no standard method to determine shear viscosity of clays with low water contents (or Liquidity Index, LI). Soils can reach CS for water contents in the plastic range (LI<1) and exhibit viscous behavior. The fall cone test is widely used to interpret the index (liquid and plastic limit) and strength properties of clays. In this study the existing analysis of the fall cone test is reexamined to discern the viscous drag as the cone penetrates the soil. This reexamination shows that the shear viscosity of clays with low water contents (LI<1.5) can be estimated from time-penetration data of the fall cone. Fall cone test results on kaolin show that the shear viscosity decreases exponentially with an increase in LI.The results of this research can be used to understand practical problems such as jacked piles in clays, cone penetrometer sleeve resistance and advancement of casings in soil for drilling or tunneling operations.

Um dos maiores problemas na utilização de ensaios geotécnicos de laboratório está na obtenção de amostras indeformadas. Os solos moles estão entre os mais difíceis de amostrar e há um grande trabalho de pesquisa no desenvolvimento de técnicas de amostragem. A fim de obter amostras de alta qualidade para o estudo do comportamento do material do depósito, foi desenvolvido nesta pesquisa uma modificação do Equipamento de Amostragem Japonês e foram adaptadas algumas das técnicas utilizadas para amostragem indeformada. O processo usual de extrusão de solo de dentro do tubo amostrador foi substituído pelo corte transversal do tubo, o que reduz a perturbação do solo. Para facilitar esta operação, os tubos foram construídos de latão (substituindo o aço inoxidável original). O depósito sedimentar objeto de estudo desta dissertação foi escolhido por ter apresentado em ensaios de campo um índice de sensibilidade (razão entre as resistências ao cisalhamento não drenadas indeformada e amolgada) bastante elevado, o que torna a sua amostragem cuidadosa ainda mais importante. A sensibilidade dos solos é um parâmetro importante em projetos de engenharia geotécnica, pois as deformações reduzem severamente a resistência ao cisalhamento não drenada nestes materiais. Foram utilizados diferentes ensaios de laboratório para permitir a determinação da resistência ao cisalhamento não-drenada do solo nas condições indeformada e amolgada, e para avaliação da sensibilidade (ensaio de cone de laboratório, ensaio de palheta de laboratório e ensaio triaxial), além de ensaios de caracterização do depósito. O depósito estudado apresenta lentes com dois materiais distintos (um argiloso e outro arenoso), entretanto apresentam ângulos de atrito interno semelhantes (~34°). Em ambos o solos as resistências ao cisalhamento não drenada foram baixas (Su ~10 kPa na condição indeformada e Su = 0,5 - 2,0 kPa na condição amolgada). A sensibilidade do material argiloso ficou em torno de 10 e no solo arenoso foi de aproximadamente 20. Análises qualitativas dos resultados indicam que as amostras coletadas pelo novo amostrador tiveram elevado grau de qualidade. Os resultados obtidos (a) confirmam o bom desempenho do novo equipamento amostrador; (b) permitiram determinar com precisão as resistências não-drenadas dos materiais; (c) comprovaram a grande sensibilidade das lentes arenosas; (d) ajudam a explicar o comportamento do depósito em campo. / One of the most difficult problems in the use of laboratory geotechnical tests is related to obtaining undisturbed samples. The soft soils are among the most difficult soils to sample and there is a great research effort in developing new sampling techniques. In order to obtain high quality samples for the study of the soil sensitivity, a modification of the Japanese thin-walled tube sampler has been build for this research and some modifications of the sampling techniques have been made. The conventional extrusion of the soil sample from the tube was substituted by a traverse cut of the tube in order to reduce the soil perturbation during its extraction. To make this operation easier, the material used for the tubes was brass (substituting the usual stainless steel). The sedimentary deposit studied on this research has been selected for having presented an high sensitivity on vane field tests (relation between peak and large deformation strengths) which gives even more importance to careful sampling. The sensitivity is an important parameter for geotechnical design as the deformations can severely reduce the undrained shear strength of these materials. Various laboratory testing techniques have been used to determine the undrained shear strength of these soils both in undisturbed and disturbed conditions (fall cone tests, lab vane tests and triaxial tests), besides characterization tests of the deposit. The studied deposit presents lenses of two distinct materials (clayey and sandy lenses), however they present similar internal angles of friction (~34°). In both soils the undrained shear strength are quite low (Su ~10 kPa in undisturbed condition and Su = 0,5 - 2,0 kPa in disturbed condition). The sensitivity of the clayey material is around 10 and around 20 in the sandy soil. Qualitative analyses of the results indicate that the samples taken with the new sampler have an high quality level. The results obtained (a) confirm the good performance of the sampler built; (b) allowed the undrained shear strength to be determined with precision; (c) showed the great sensitivity of the sandy lenses; (d) helped to explain the field behaviour of the soil.

Um dos maiores problemas na utilização de ensaios geotécnicos de laboratório está na obtenção de amostras indeformadas. Os solos moles estão entre os mais difíceis de amostrar e há um grande trabalho de pesquisa no desenvolvimento de técnicas de amostragem. A fim de obter amostras de alta qualidade para o estudo do comportamento do material do depósito, foi desenvolvido nesta pesquisa uma modificação do Equipamento de Amostragem Japonês e foram adaptadas algumas das técnicas utilizadas para amostragem indeformada. O processo usual de extrusão de solo de dentro do tubo amostrador foi substituído pelo corte transversal do tubo, o que reduz a perturbação do solo. Para facilitar esta operação, os tubos foram construídos de latão (substituindo o aço inoxidável original). O depósito sedimentar objeto de estudo desta dissertação foi escolhido por ter apresentado em ensaios de campo um índice de sensibilidade (razão entre as resistências ao cisalhamento não drenadas indeformada e amolgada) bastante elevado, o que torna a sua amostragem cuidadosa ainda mais importante. A sensibilidade dos solos é um parâmetro importante em projetos de engenharia geotécnica, pois as deformações reduzem severamente a resistência ao cisalhamento não drenada nestes materiais. Foram utilizados diferentes ensaios de laboratório para permitir a determinação da resistência ao cisalhamento não-drenada do solo nas condições indeformada e amolgada, e para avaliação da sensibilidade (ensaio de cone de laboratório, ensaio de palheta de laboratório e ensaio triaxial), além de ensaios de caracterização do depósito. O depósito estudado apresenta lentes com dois materiais distintos (um argiloso e outro arenoso), entretanto apresentam ângulos de atrito interno semelhantes (~34°). Em ambos o solos as resistências ao cisalhamento não drenada foram baixas (Su ~10 kPa na condição indeformada e Su = 0,5 - 2,0 kPa na condição amolgada). A sensibilidade do material argiloso ficou em torno de 10 e no solo arenoso foi de aproximadamente 20. Análises qualitativas dos resultados indicam que as amostras coletadas pelo novo amostrador tiveram elevado grau de qualidade. Os resultados obtidos (a) confirmam o bom desempenho do novo equipamento amostrador; (b) permitiram determinar com precisão as resistências não-drenadas dos materiais; (c) comprovaram a grande sensibilidade das lentes arenosas; (d) ajudam a explicar o comportamento do depósito em campo. / One of the most difficult problems in the use of laboratory geotechnical tests is related to obtaining undisturbed samples. The soft soils are among the most difficult soils to sample and there is a great research effort in developing new sampling techniques. In order to obtain high quality samples for the study of the soil sensitivity, a modification of the Japanese thin-walled tube sampler has been build for this research and some modifications of the sampling techniques have been made. The conventional extrusion of the soil sample from the tube was substituted by a traverse cut of the tube in order to reduce the soil perturbation during its extraction. To make this operation easier, the material used for the tubes was brass (substituting the usual stainless steel). The sedimentary deposit studied on this research has been selected for having presented an high sensitivity on vane field tests (relation between peak and large deformation strengths) which gives even more importance to careful sampling. The sensitivity is an important parameter for geotechnical design as the deformations can severely reduce the undrained shear strength of these materials. Various laboratory testing techniques have been used to determine the undrained shear strength of these soils both in undisturbed and disturbed conditions (fall cone tests, lab vane tests and triaxial tests), besides characterization tests of the deposit. The studied deposit presents lenses of two distinct materials (clayey and sandy lenses), however they present similar internal angles of friction (~34°). In both soils the undrained shear strength are quite low (Su ~10 kPa in undisturbed condition and Su = 0,5 - 2,0 kPa in disturbed condition). The sensitivity of the clayey material is around 10 and around 20 in the sandy soil. Qualitative analyses of the results indicate that the samples taken with the new sampler have an high quality level. The results obtained (a) confirm the good performance of the sampler built; (b) allowed the undrained shear strength to be determined with precision; (c) showed the great sensitivity of the sandy lenses; (d) helped to explain the field behaviour of the soil.

Um dos maiores problemas na utilização de ensaios geotécnicos de laboratório está na obtenção de amostras indeformadas. Os solos moles estão entre os mais difíceis de amostrar e há um grande trabalho de pesquisa no desenvolvimento de técnicas de amostragem. A fim de obter amostras de alta qualidade para o estudo do comportamento do material do depósito, foi desenvolvido nesta pesquisa uma modificação do Equipamento de Amostragem Japonês e foram adaptadas algumas das técnicas utilizadas para amostragem indeformada. O processo usual de extrusão de solo de dentro do tubo amostrador foi substituído pelo corte transversal do tubo, o que reduz a perturbação do solo. Para facilitar esta operação, os tubos foram construídos de latão (substituindo o aço inoxidável original). O depósito sedimentar objeto de estudo desta dissertação foi escolhido por ter apresentado em ensaios de campo um índice de sensibilidade (razão entre as resistências ao cisalhamento não drenadas indeformada e amolgada) bastante elevado, o que torna a sua amostragem cuidadosa ainda mais importante. A sensibilidade dos solos é um parâmetro importante em projetos de engenharia geotécnica, pois as deformações reduzem severamente a resistência ao cisalhamento não drenada nestes materiais. Foram utilizados diferentes ensaios de laboratório para permitir a determinação da resistência ao cisalhamento não-drenada do solo nas condições indeformada e amolgada, e para avaliação da sensibilidade (ensaio de cone de laboratório, ensaio de palheta de laboratório e ensaio triaxial), além de ensaios de caracterização do depósito. O depósito estudado apresenta lentes com dois materiais distintos (um argiloso e outro arenoso), entretanto apresentam ângulos de atrito interno semelhantes (~34°). Em ambos o solos as resistências ao cisalhamento não drenada foram baixas (Su ~10 kPa na condição indeformada e Su = 0,5 - 2,0 kPa na condição amolgada). A sensibilidade do material argiloso ficou em torno de 10 e no solo arenoso foi de aproximadamente 20. Análises qualitativas dos resultados indicam que as amostras coletadas pelo novo amostrador tiveram elevado grau de qualidade. Os resultados obtidos (a) confirmam o bom desempenho do novo equipamento amostrador; (b) permitiram determinar com precisão as resistências não-drenadas dos materiais; (c) comprovaram a grande sensibilidade das lentes arenosas; (d) ajudam a explicar o comportamento do depósito em campo. / One of the most difficult problems in the use of laboratory geotechnical tests is related to obtaining undisturbed samples. The soft soils are among the most difficult soils to sample and there is a great research effort in developing new sampling techniques. In order to obtain high quality samples for the study of the soil sensitivity, a modification of the Japanese thin-walled tube sampler has been build for this research and some modifications of the sampling techniques have been made. The conventional extrusion of the soil sample from the tube was substituted by a traverse cut of the tube in order to reduce the soil perturbation during its extraction. To make this operation easier, the material used for the tubes was brass (substituting the usual stainless steel). The sedimentary deposit studied on this research has been selected for having presented an high sensitivity on vane field tests (relation between peak and large deformation strengths) which gives even more importance to careful sampling. The sensitivity is an important parameter for geotechnical design as the deformations can severely reduce the undrained shear strength of these materials. Various laboratory testing techniques have been used to determine the undrained shear strength of these soils both in undisturbed and disturbed conditions (fall cone tests, lab vane tests and triaxial tests), besides characterization tests of the deposit. The studied deposit presents lenses of two distinct materials (clayey and sandy lenses), however they present similar internal angles of friction (~34°). In both soils the undrained shear strength are quite low (Su ~10 kPa in undisturbed condition and Su = 0,5 - 2,0 kPa in disturbed condition). The sensitivity of the clayey material is around 10 and around 20 in the sandy soil. Qualitative analyses of the results indicate that the samples taken with the new sampler have an high quality level. The results obtained (a) confirm the good performance of the sampler built; (b) allowed the undrained shear strength to be determined with precision; (c) showed the great sensitivity of the sandy lenses; (d) helped to explain the field behaviour of the soil.

The undrained shear strength and preconsolidation pressure are key parameters in describing the characteristics of soft clays. The two parameters both reflect the clay’s structure and state of stress, and hence empirical correlations for undrained shear strength normalized with respect to preconsolidation pressure are widely used to assess soil behavior. The empirical correlations given in the literature are typically dependent on liquid limit, or plasticity index, but some studies have questioned the dependency and proposed correlations constant for consistency limits. Data from geotechnical projects often display a considerable scatter and deviate from established empirical correlations. In this thesis, statistical analyses are performed and evaluated qualitatively on direct simple shear, constant rate of strain and fall cone test data from 146 sampling points with a total of 596 soil samples from Stockholm, Gothenburg and Uppsala. The aim is to investigate the correlation between shear strength and the preconsolidation pressure. The thesis evaluates the normalized shear strength’s dependency on liquid limit, how the data corresponds to Hansbo’s (1957) and Swedish Geotechnical Institute’s (2007) linear empirical correlations, and the correction factor applied to shear strength measured by the fall cone test. The results of the study show that the correction factor typically reduces the shear strength from fall cone tests too much with respect to shear strength from direct simple shear tests. The normalized shear strength’s dependency on liquid limit may be rejected for the fall cone test data. The results for direct simple shear test data however, indicates a correlation with liquid limit. The data scatter is considerable, especially for fall cone test data, and the relevance of describing the normalized shear strength from fall cone test with a linear empirical correlation to liquid limit may conclusively be questioned. / Skjuvhållfasthet och förkonsolideringstryck är två viktiga jordparametrar för lösa leror. Båda parametrar reflekterar lerans struktur och spänningstillstånd, och empiriska korrelationer för odränerad skjuvhållfasthet, normaliserad mot förkonsolideringstrycket, används därför ofta för att bedöma en leras egenskaper. De empiriska korrelationerna är vanligen kopplade till flytgräns eller plasticitetsindex. Dessa korrelationer har däremot ifrågasatts av studier som i vissa fall istället föreslagit ett konstant förhållande mellan normaliserad odränerad skjuvhållfasthet och plasticitetsgränser. Mätvärden från geotekniska projekt i Sverige visar allmänt stor spridning avseende dessa parametrar och data avviker ofta från etablerade empiriska korrelationer. I examensarbetet har data från direkta skjuvförsök, ödometerförsök och fallkonförsök utvärderats statistiskt och kvalitativt. Totalt omfattar studien 596 jordprover från 146 provtagningspunkter från Stockholm, Göteborg och Uppsala. Syftet med studien är att undersöka korrelationen mellan odränerad skjuvhållfasthet och förkonsolideringstryck. Studien behandlar den normaliserade skjuvhållfashetens flytgränsberoende, Hansbos (1957) och Statens Geotekniska Instituts (2007) empiriska korrelationer, samt den korrektionsfaktor som ska tillämpas på skjuvhållfastheter från fallkonförsök. Resultatet visar att korrektionsfaktorn reducerar skjuvhållfastheten för mycket och att korrigerade skjuvhållfastheter är i sämre samstämmighet med skjuvhållfastheter från direkta skjuvförsök än okorrigerade. Data från fallkonförsök uppvisar inget tydligt flytgränsberoende, medan resultaten från direkta skjuvförsök indikerar ett beroende. Spridningen i data är dock påfallande, särskilt för fallkonförsöket. Relevansen i att tillämpa en linjär empirisk korrelation för odränerad normaliserad från fallkonförsök mot förkonsolideringstryck beroende av flytgräns bör ifrågasättas.