The calibration application named ExCalibre was developed at Technical University in Prague, Faculty of Civil Engineering. This application can automatically process experimental data and create set of parameters of hypoplastic models which are designed for saturated clays or sands. The aim of this master thesis was to support development of application for calibration with testing it on real experimental data sets. Automatic calibration of these data sets was compared with calibration by hand for identical data. The development of the application and main phase of testing took place in two stages, where the main calibration errors of calibration application were identified. After the final testing of application where the minor bugs and errors were overcome a user-friendly web application (soilmodel.com/excalibre/) was introduced. This final testing has gone beyond this thesis. The results from the main phases of testing are discussed in this thesis as well as the description of database of fine-grained and coarse-grained samples which were used to testing of application. Knowing the calibration of the model is crucial for its using, you can find description of the used constitutive models in this thesis, which are used in the calibration application, as well as a description of procedure for...

Esta pesquisa apresenta uma ampliação da investigação da capacidade de um modelo constitutivo hipoplástico de representar o comportamento tensão-deformação dos solos. Os modelos hipoplásticos apresentam características que os toram mais adequados, em muitas situações, a fornecer respostas mais realistas que os modelos baseados na elastoplasticidade clássica, que são os mais utilizados na prática da engenharia atual. O trabalho então consistiu da simulação, através de um equacionamento hipoplástico, de ensaios triaxiais drenados realizados em solos e trajetórias de tensão aos quais o modelo em estudo ainda não havia sido aplicado, tais como em corpos de prova adensados anisotropicamente e em trajetórias com decréscimos da tensão desviadora, bem como da comparação entre a resposta do modelo e os respectivos resultados desses ensaios. Em termos qualitativos, os resultados obtidos nesse confronto são bons em todas as situações estudadas. Quantitativamente, são bons na maioria das situações e razoavelmente bons em outras. / This research presents an extension of the investigation of the capacity of a hypoplastic constitutive model to represent the stress-strain behavior of soils. Hipoplastic models have characteristics that make them more suitable, in many situations, to provide more realistic answers than models based on classical elastoplasticity, which are most often used in engineering practice today. The work then consisted in the simulation, through a hypoplastic equation, of drained triaxial tests performed on soils and stress paths to which the model had not been applied yet, such as anisotropically consolidated specimens and paths with decreasing deviatoric stress as well as in the comparison between the response of the model and the results of those tests. The results obtained in this comparison are qualitatively good in all the situations studied. Quantitatively, they are good in most situations and reasonably in the others.

São propostas modificações em um modelo hipoplástico buscando representar o comportamento mecânico de argilas sobreadensadas. São introduzidos no modelo a razão de sobreadensamento, o intercepto de coesão e índices que representam características do trecho sobreadensado, resultando em parâmetros com claro sentido físico e de fácil determinação. A equação constitutiva é então calibrada com parâmetros de solos sobreadensados e a capacidade dos modelos de representar o comportamento de dois solos em particular é verificada, confrontando as previsões teóricas com resultados experimentais em diversas situações de carregamento e para uma larga faixa de razões de sobreadensamento. Verifica-se que as modificações introduzidas no modelo hipoplástico contemplam avanços significativos na representação dos efeitos do sobreadensamento, como a curvatura da envoltória de resistência no trecho sobreadensado, o aumento do módulo de deformabilidade com o grau de sobreadensamento, diferente rigidez no carregamento e no recarregamento, o aumento das tensões desviadoras de ruptura em solos sobreadensados, a diminuição da tendência à contração volumétrica com o aumento da razão de sobreadensamento, chegando à expansão volumétrica, e, nas solicitações não-drenadas, pressão neutra negativa quando o solo encontra-se fortemente sobreadensado. / Modifications in a hypoplastic model are proposed intending to represent the mechanical behavior of overconsolidated clays. The overconsolidation ratio, the cohesion intercept and indices that represent overconsolidation characteristics are introduced in the model, resulting in parameters with a clear physical meaning and of easy to determine. The constitutive equation is then calibrated with parameters of overconsolidated soils and the capacity of the models of representing the behavior of two soils in particular is checked, confronting the theoretical predictions with experimental results in several loading situations and in a wide overconsolidation ratio range. It is verified that the modifications introduced into hypoplastic model contemplates significant advances in the representation of the effects of overconsolidation, like the curvature of the strength envelope in the overconsolidation region, the increase of the deformability modulus with the overconsolitadion ratio, different stiffness in loading and reloading, the increase of the deviator stress at failure in overconsolidated soils, presenting peak deviator stress, a decrease of the tendency to volumetric contraction with the increase of the overconsolidation ratio, including to the volumetric expansion, and, in undrained tests, negative pore pressure when the soil is heavily overconsolidated.

Modelos constitutivos são relações matemáticas entre grandezas físicas que buscam descrever o comportamento dos materiais quando submetidos a ações externas. A hipoplasticidade é um modelo constitutivo desenvolvido para solos a partir de uma modificação da equação hipoelástica. Este modelo tem como principais características a existência de uma única equação constitutiva e o seu caráter não linear, o que lhe confere a propriedade de introduzir deformações irreversíveis desde o início das ações externas. Neste trabalho são estudados dois novos modelos desenvolvidos com o objetivo de melhorar as previsões para carregamentos cíclicos. O primeiro, denominado hipoplasticidade estendida, é caracterizado pela introdução de superfícies de memória e uma nova equação constitutiva específica para o recarregamento. O segundo modelo, a hipoplasticidade cíclica, é uma modificação deste último onde são introduzidos fatores capazes de modificar as superfícies de memória. Os novos modelos são primeiramente aplicados em situações teóricas para verificar sua aplicabilidade. Posteriormente, utilizando dados experimentais, é feita sua calibração e aplicação para então compararem-se as previsões teóricas com os resultados experimentais. Verifica-se que os novos modelos contemplam avanços significativos na previsão do comportamento dos solos sob carregamentos cíclicos. Para permitir um número maior de simulações foi desenvolvida uma planilha eletrônica com a capacidade de representar quantos ciclos sejam desejados, efetuar a alteração dos parâmetros do solo durante a calibração do modelo de maneira fácil e rápida, assim como visualizar para cada um dos intervalos se foi utilizada a equação geral ou a específica do recarregamento. / Constitutive models are mathematical relationships between physical quantities that approximate the behavior of materials when subjected to external actions. Hypoplasticity is a constitutive model developed for soils from a modification of the hypoelastic equation. The main features of this model are the existence of a unique constitutive equation and its nonlinear character, which gives it the property of introducing irreversible deformation from the beginning of external actions. In this work two new models developed in order to improve the predictions of cyclic loading are studied. The first one, which is called extended hypoplacity, has as its main feature the addition of a memory surface and the introduction of a new equation specific for reloading. The second model, cyclic hypoplasticity, which is a modification of this last one, is characterized by the introduction of factors that are capable of modifing the memory surfaces. The new models are first checked in theoretical situations to verify their applicability. Subsequently, using experimental data, the models are calibrated, applied, and then compared to experimental results. The new models include significant advances in predicting soil behavior under cyclic loading. To allow a larger number of simulations, a spreadsheet was developed with the following abilities: simulate as many cycles as are desired; easy to change soil\'s parameters during the calibration phase; and display for each of the intervals which of the equations was used.

São propostas modificações em um modelo hipoplástico buscando representar o comportamento mecânico de argilas sobreadensadas. São introduzidos no modelo a razão de sobreadensamento, o intercepto de coesão e índices que representam características do trecho sobreadensado, resultando em parâmetros com claro sentido físico e de fácil determinação. A equação constitutiva é então calibrada com parâmetros de solos sobreadensados e a capacidade dos modelos de representar o comportamento de dois solos em particular é verificada, confrontando as previsões teóricas com resultados experimentais em diversas situações de carregamento e para uma larga faixa de razões de sobreadensamento. Verifica-se que as modificações introduzidas no modelo hipoplástico contemplam avanços significativos na representação dos efeitos do sobreadensamento, como a curvatura da envoltória de resistência no trecho sobreadensado, o aumento do módulo de deformabilidade com o grau de sobreadensamento, diferente rigidez no carregamento e no recarregamento, o aumento das tensões desviadoras de ruptura em solos sobreadensados, a diminuição da tendência à contração volumétrica com o aumento da razão de sobreadensamento, chegando à expansão volumétrica, e, nas solicitações não-drenadas, pressão neutra negativa quando o solo encontra-se fortemente sobreadensado. / Modifications in a hypoplastic model are proposed intending to represent the mechanical behavior of overconsolidated clays. The overconsolidation ratio, the cohesion intercept and indices that represent overconsolidation characteristics are introduced in the model, resulting in parameters with a clear physical meaning and of easy to determine. The constitutive equation is then calibrated with parameters of overconsolidated soils and the capacity of the models of representing the behavior of two soils in particular is checked, confronting the theoretical predictions with experimental results in several loading situations and in a wide overconsolidation ratio range. It is verified that the modifications introduced into hypoplastic model contemplates significant advances in the representation of the effects of overconsolidation, like the curvature of the strength envelope in the overconsolidation region, the increase of the deformability modulus with the overconsolitadion ratio, different stiffness in loading and reloading, the increase of the deviator stress at failure in overconsolidated soils, presenting peak deviator stress, a decrease of the tendency to volumetric contraction with the increase of the overconsolidation ratio, including to the volumetric expansion, and, in undrained tests, negative pore pressure when the soil is heavily overconsolidated.

Modelos constitutivos são relações matemáticas entre grandezas físicas que buscam descrever o comportamento dos materiais quando submetidos a ações externas. A hipoplasticidade é um modelo constitutivo desenvolvido para solos a partir de uma modificação da equação hipoelástica. Este modelo tem como principais características a existência de uma única equação constitutiva e o seu caráter não linear, o que lhe confere a propriedade de introduzir deformações irreversíveis desde o início das ações externas. Neste trabalho são estudados dois novos modelos desenvolvidos com o objetivo de melhorar as previsões para carregamentos cíclicos. O primeiro, denominado hipoplasticidade estendida, é caracterizado pela introdução de superfícies de memória e uma nova equação constitutiva específica para o recarregamento. O segundo modelo, a hipoplasticidade cíclica, é uma modificação deste último onde são introduzidos fatores capazes de modificar as superfícies de memória. Os novos modelos são primeiramente aplicados em situações teóricas para verificar sua aplicabilidade. Posteriormente, utilizando dados experimentais, é feita sua calibração e aplicação para então compararem-se as previsões teóricas com os resultados experimentais. Verifica-se que os novos modelos contemplam avanços significativos na previsão do comportamento dos solos sob carregamentos cíclicos. Para permitir um número maior de simulações foi desenvolvida uma planilha eletrônica com a capacidade de representar quantos ciclos sejam desejados, efetuar a alteração dos parâmetros do solo durante a calibração do modelo de maneira fácil e rápida, assim como visualizar para cada um dos intervalos se foi utilizada a equação geral ou a específica do recarregamento. / Constitutive models are mathematical relationships between physical quantities that approximate the behavior of materials when subjected to external actions. Hypoplasticity is a constitutive model developed for soils from a modification of the hypoelastic equation. The main features of this model are the existence of a unique constitutive equation and its nonlinear character, which gives it the property of introducing irreversible deformation from the beginning of external actions. In this work two new models developed in order to improve the predictions of cyclic loading are studied. The first one, which is called extended hypoplacity, has as its main feature the addition of a memory surface and the introduction of a new equation specific for reloading. The second model, cyclic hypoplasticity, which is a modification of this last one, is characterized by the introduction of factors that are capable of modifing the memory surfaces. The new models are first checked in theoretical situations to verify their applicability. Subsequently, using experimental data, the models are calibrated, applied, and then compared to experimental results. The new models include significant advances in predicting soil behavior under cyclic loading. To allow a larger number of simulations, a spreadsheet was developed with the following abilities: simulate as many cycles as are desired; easy to change soil\'s parameters during the calibration phase; and display for each of the intervals which of the equations was used.

Esta pesquisa apresenta uma ampliação da investigação da capacidade de um modelo constitutivo hipoplástico de representar o comportamento tensão-deformação dos solos. Os modelos hipoplásticos apresentam características que os toram mais adequados, em muitas situações, a fornecer respostas mais realistas que os modelos baseados na elastoplasticidade clássica, que são os mais utilizados na prática da engenharia atual. O trabalho então consistiu da simulação, através de um equacionamento hipoplástico, de ensaios triaxiais drenados realizados em solos e trajetórias de tensão aos quais o modelo em estudo ainda não havia sido aplicado, tais como em corpos de prova adensados anisotropicamente e em trajetórias com decréscimos da tensão desviadora, bem como da comparação entre a resposta do modelo e os respectivos resultados desses ensaios. Em termos qualitativos, os resultados obtidos nesse confronto são bons em todas as situações estudadas. Quantitativamente, são bons na maioria das situações e razoavelmente bons em outras. / This research presents an extension of the investigation of the capacity of a hypoplastic constitutive model to represent the stress-strain behavior of soils. Hipoplastic models have characteristics that make them more suitable, in many situations, to provide more realistic answers than models based on classical elastoplasticity, which are most often used in engineering practice today. The work then consisted in the simulation, through a hypoplastic equation, of drained triaxial tests performed on soils and stress paths to which the model had not been applied yet, such as anisotropically consolidated specimens and paths with decreasing deviatoric stress as well as in the comparison between the response of the model and the results of those tests. The results obtained in this comparison are qualitatively good in all the situations studied. Quantitatively, they are good in most situations and reasonably in the others.

A wide range of geotechnical structures are subjected to episodes of cyclic loading. Among them, we can for example mention onshore and offshore foundations subjected to environmental loadings, pavements subjected to traffic loading, filling-emptying cycles on silos and water tanks, among many others. In order to develop constitutive models or numerical tools that accurately reproduce the soil behavior on the aforementioned geotechnical problems, a deep understanding on how soil behaves under cyclic loading is necessary. This behavior is, however, not trivial since non-linearity, small strain stiffness, stiffness degradation, cyclic hysteresis and recent stress history play a significant role. This dissertation presents some contributions to the experimental evidence and numerical description of soil cyclic behavior. It begins with comprehensive experimental databases on Malaysian kaolin and Zbraslav sand. In each database, several monotonic and cyclic tests were performed and analyzed considering a wide range of initial conditions and loading characteristics. In particular, the influence of the deviatoric stress amplitude, soil plasticity, initial stress ratio, drained cyclic preloading and sequence of packages of cycles with different deviatoric stress amplitudes was investigated on Malaysian...

Cogliati, Belén. (2011). Modelos viscosos em mecânica dos solos: análise de uma equação visco-hipoplástica. Dissertação de Mestrado, Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo. Esta dissertação estuda o comportamento de um modelo visco-hipoplástico proposto por Niemunis (2002), com as funções constitutivas da equação hipoplástica de Nader (2003). Para entender o papel da viscosidade no comportamento do solo são discutidos o adensamento secundário, a influência da velocidade de deformação na resistência não-drenada e a variação do coeficiente de empuxo com o tempo. Como etapa preliminar, são apresentados os modelos reológicos simples em uma dimensão, formados por um só elemento (modelos de Hooke, Newton e Saint-Venant) e modelos compostos pela combinação desses elementos (modelos de Maxwell, Bingham, Kelvin- Voigt, sólido linear padrão e visco-plástico com endurecimento). São deduzidas as equações de fluência e relaxação para todos esses modelos. Em três dimensões, são apresentadas as formulações do modelo visco-hipoplástico de Niemunis (2002) com as funções constitutivas de Nader (2003). São deduzidas as expressões simplificadas desse modelo para ensaios triaxiais. Em seguida, as equações são aplicadas à simulação de ensaios de compressão isotrópica e compressão não-drenada, com o objetivo de investigar a relaxação e a fluência bem como para analisar a influência dos parâmetros na resposta do modelo. / This thesis studies the behavior of the visco-hypoplastic model proposed by Niemunis, using Nader\'s hypoplastic constitutive equations. To understand the importance of viscosity in soil behavior the following topics are first examined: secondary consolidation, strain rate effects on undrained strength and the time variation of the coefficient of lateral pressure at rest. As a preliminary step, the present work discusses one-dimensional rheological models formed by a single element (Hooke\'s, Newton\'s and Saint-Venant\'s models) or by the combination of these elements (Maxwell\'s, Bingham\'s, Kelvin-Voigt\'s models; the standard linear solid model and the visco-plastic hardening model). For all the rheological models creep and relaxation are investigated. Niemunis\' visco-hypoplastic model with Nader\'s constitutive equations is presented next. First, simplified expressions of this model for triaxial test are deduced. Then the equations are applied to the simulation of isotropic compression and undrainded compression tests, with the aim of investigating relaxation and creep as well as of analyzing the influence of each parameter on the model response.

Cogliati, Belén. (2011). Modelos viscosos em mecânica dos solos: análise de uma equação visco-hipoplástica. Dissertação de Mestrado, Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo. Esta dissertação estuda o comportamento de um modelo visco-hipoplástico proposto por Niemunis (2002), com as funções constitutivas da equação hipoplástica de Nader (2003). Para entender o papel da viscosidade no comportamento do solo são discutidos o adensamento secundário, a influência da velocidade de deformação na resistência não-drenada e a variação do coeficiente de empuxo com o tempo. Como etapa preliminar, são apresentados os modelos reológicos simples em uma dimensão, formados por um só elemento (modelos de Hooke, Newton e Saint-Venant) e modelos compostos pela combinação desses elementos (modelos de Maxwell, Bingham, Kelvin- Voigt, sólido linear padrão e visco-plástico com endurecimento). São deduzidas as equações de fluência e relaxação para todos esses modelos. Em três dimensões, são apresentadas as formulações do modelo visco-hipoplástico de Niemunis (2002) com as funções constitutivas de Nader (2003). São deduzidas as expressões simplificadas desse modelo para ensaios triaxiais. Em seguida, as equações são aplicadas à simulação de ensaios de compressão isotrópica e compressão não-drenada, com o objetivo de investigar a relaxação e a fluência bem como para analisar a influência dos parâmetros na resposta do modelo. / This thesis studies the behavior of the visco-hypoplastic model proposed by Niemunis, using Nader\'s hypoplastic constitutive equations. To understand the importance of viscosity in soil behavior the following topics are first examined: secondary consolidation, strain rate effects on undrained strength and the time variation of the coefficient of lateral pressure at rest. As a preliminary step, the present work discusses one-dimensional rheological models formed by a single element (Hooke\'s, Newton\'s and Saint-Venant\'s models) or by the combination of these elements (Maxwell\'s, Bingham\'s, Kelvin-Voigt\'s models; the standard linear solid model and the visco-plastic hardening model). For all the rheological models creep and relaxation are investigated. Niemunis\' visco-hypoplastic model with Nader\'s constitutive equations is presented next. First, simplified expressions of this model for triaxial test are deduced. Then the equations are applied to the simulation of isotropic compression and undrainded compression tests, with the aim of investigating relaxation and creep as well as of analyzing the influence of each parameter on the model response.