Tese de doutoramento. Engenharia Civil. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

O presente trabalho traz uma análise crítica sobre a Classificação MCT (Miniatura - Compactado - Tropical), cujo objetivo foi identificar a possibilidade de modificar os seus procedimentos, no sentido de torná-la mais simples e rápida, sem prejudicar sua principal característica, que é identificar a gênese do solo. Para isso, foram realizadas duas etapas: investigações a respeito dos procedimentos de ensaios e parâmetros adotados na classificação e análise de dados de Classificação MCT e curvas Pi x Mini-MCV, coletados em diversas fontes. Inicialmente, foram executados ensaios de laboratório visando a identificar as possibilidades de reduzir o tempo e o número de cálculos e curvas necessários para a Classificação MCT do solo. Além disso, foram investigadas a repetibilidade dos ensaios que compõem a Classificação e a influência da face do corpo de prova utilizada na determinação de Pi. Foram levantados diversos dados relativos à Classificação MCT de solos (perfazendo um total de 2.438 resultados de classificação) provenientes de várias partes do Brasil, com os quais fez-se uma verificação da confiabilidade do ábaco MCT-M para a identificação da gênese dos solos tropicais. Também foram coletados dados de 288 curvas Pi x Mini-MCV, a partir das quais pôde-se identificar a existência de padrões que possibilitaram a elaboração de um ábaco para classificar tais curvas e a introdução deste fator na classificação dos solos. Desenvolveu-se uma nova fórmula para o cálculo do parâmetro e' (mais simples que a anterior) e, após isso, foram estabelecidos novos limites para os grupos que integram o ábaco MCT-M. A fórmula proposta possibilitou uma simplificação considerável nos procedimentos de Classificação MCT, pois reduziu a quantidade de curvas e cálculos requeridos para tal finalidade. Finalmente, traz-se um novo procedimento para a Classificação MCT, bem como propostas de alterações para as normas atualmente utilizadas (DNER-ME 256/94, DNER-ME 258/94 e DNER-CLA 259/96).

Em alguns locais, como solos de fundação de aterros sanitários, o adensamento impõe condições especiais para o transporte de contaminantes devido ao fluxo gerado pelo alívio de excesso de poro pressão, causado pela carga atuante na superfície. Nestes cenários, estimativas para o transporte que não consideram estes efeitos poderiam ser aproximações demasiadamente simples da realidade. Este trabalho discute o acoplamento destes fenômenos em um único método de cálculo a partir da implementação, com base no Método de Elementos Finitos para cálculo de adensamento e o Eulerian Lagrangian Localized Adjointed Method (ELLAM). Assim, as velocidades de fluxo são calculadas através do Método de Elementos Finitos para o problema do adensamento e são utilizadas para determinação das linhas características, que por sua vez determinarão as funções de ponderação do ELLAM. Ainda que, separadamente, ambos os métodos sejam bem sucedidos para resolver os problemas do adensamento e do transporte de contaminantes, seu acoplamento encontra sérios problemas relacionados a estabilidade e oscilação numérica, além de limitações impostas aos intervalos de espaço e tempo utilizados na malha de elementos finitos, que ainda esperam por novos métodos ou implementações que possam levar em conta as variações de velocidade de fluxo decorrentes do adensamento.

Este trabalho apresenta a modelagem da sorção na fração orgânica de solos (coloidal), para o caso de contaminação por compostos orgânicos, com auxílio do método de elementos finitos. O objetivo desta pesquisa é o de apresentar um método numérico específico para a análise deste mecanismo, contribuindo para a determinação do fator de retardamento que a sorção causa no avanço da pluma de contaminação no solo. Foram admitidas as hipóteses simplificadoras de Wu e Gschwend (1986), onde os colóides presentes no solo têm forma esférica e, como este trabalho versa sobre a difusão unidimensional, foi considerada sua simetria esférica. Foi utilizado o programa TINY (Britto e Gunn, 1987) com matriz de rigidez modificada para o problema da difusão em uma esfera, utilizando-se uma formulação mista e uma fraca. Além da comparação entre as duas formulações, foram gerados resultados segundo variações de tempo e espaço, gerando 20 casos implementados. Após a verificação da convergência das análises em relação à solução analítica de Crank (1956), foi possível verificar a grande influência da discretização temporal na convergência dos resultados, tanto para a formulação mista como para a formulação fraca.

Alguns solos apresentam capacidade de suporte suficiente para atuar, na condição não saturada, como base ou sub-base de estruturas de pavimentos. A capacidade de suporte destas camadas de solo compactado pode ser bastante afetada pelas intempéries, uma vez que estas últimas têm o potencial de provocar variações no grau de saturação. O aumento do grau de saturação implica na redução da sucção e, conseqüentemente, na perda de resistência mecânica dos solos. Deste modo, barreiras de fluxo em geossintéticos apresentam-se como uma opção interessante para o problema, evitando a infiltração da fase de água e, conseqüentemente, a variação do teor de umidade nas camadas de solo de estruturas de pavimento, o que assegura, ao longo do tempo, as características obtidas pelo processo de compactação. Neste trabalho são estudados os fluxos de ar e da fase de água, incitados por gradientes térmicos, no interior de solos encapsulados com geossintéticos. Análises numéricas para um modelo de fluxo heterotérmico unidimensional em meios porosos foram realizadas. Uma metodologia de ensaio também é descrita, permitindo, então, discutir a aplicabilidade do modelo teórico na compreensão da influência da migração de umidade no comportamento de camadas de solo protegido por barreiras sintéticas.

No presente estudo, contextualizado no campo dos solos não saturados, realiza-se uma análise acerca dos solos tropicais com base no trinômio sucção mátrica/gênese dos solos (tratada pelo uso do método MCT)/granulometria, por meio do estabelecimento de dois fatores de diferenciação de solos tropicais, e também da observação do desenvolvimento de curvas de retenção de água obtidas experimentalmente, bem como utilizando-se os modelos de Fredlund e Xing e de Mualem. Dispondo-se das curvas de retenção de água obtidas em laboratório, consegue-se estabelecer as equações representativas destas curvas, assim como os parâmetros hídricos: condutividade hidráulica do solo não saturado, condutividade hidráulica relativa, difusividade solo-água e razão de mobilidade hídrica, sendo este último um parâmetro também elaborado neste trabalho. As curvas de retenção de água foram obtidas anteriormente através de um equipamento de sucção do tipo extrator de pressão de Richards, operando na faixa de sucção de 0 a 500 kPa. Realiza-se, adicionalmente, um estudo sobre o comportamento de solos tropicais nas proximidades da saturação, para três solos tropicais de gêneses distintas, por meio da determinação de curvas de retenção de água obtidas a partir de um equipamento do tipo funil de placa porosa operando na faixa de sucção de 0 a 10 kPa, conduzindo à elaboração do fator susceptibilidade dos solos tropicais à erosão hídrica. Por último, busca-se comprovar a hipótese da existência de sucção residual em solos lateríticos por meio da realização de microscopias estereoscópica, petrográfica ótica e eletrônica de varredura em um solo laterítico, bem como de ensaios de difração de raio X e de análise química. Portanto, a pesquisa procura focar as principais diferenças comportamentais existentes entre os solos tropicais lateríticos, transicionais e não lateríticos quanto à sucção mátrica, gênese e granulometria, face à presença da água, por intermédio de uma análise dos fenômenos de retenção, mobilidade e erosão hídricas.

Objetivando galgar um maior conhecimento das propriedades geotécnicas dos solos tropicais, a presente tese introduz um estudo de solos de textura fina, plintíticos e concrecionados coletados em obras aeroportuárias na Amazônia Legal, empregando-se as metodologias classificatórias MCT e Reliliente, além das de caracterização e de análise mineralógica da fração areia. Para os ensaios triaxiais dinâmicos, desenvolveu-se um novo equipamento inteiramente nacional e monitorado por microcomputador, o qual permite testar corpos de prova com 5, 10 ou 15 cm de diâmetro, de modo a tratar as amostras praticamente em sua granulometria real. Enfoques adicionais são efetuados sobre a transformação dos solos plintíticos submetidos a diferentes ciclos de secagem-molhagem, e sobre o caráter qualitativo da estrutura e estabilidade dos solos lateríticos concrecionados, através de curvas de Compactação Total e diagramas de Imersão em Água. Apresenta-se, também, a realidade aeroportuária e de materiais da região, executando-se um tratamento estatístico e apreciação de dados levantados em estudos referentes à implantação de aeroportos, conduzindo à discretização de materiais e à definição de macro-zonas com diferentes aptidões geotécnicas. Os resultados alcançados, além de propiciarem uma visão global das características e propriedades dos solos típicos da Amazônia, permitem o estabelecimento de novos padrões de comportamento geotécnico e critérios MCT/Resiliente adaptados para a seleção adequada desses materiais, com vistas a seu uso racional em camadas de pavimentos.

O estudo das características geológicas e geotécnicas de solos é muito importante e a escassez de publicações a respeito do comportamento de solos constituintes da região do Vale do Paraíba aumenta a necessidade de estudos para esta região. O trabalho apresenta uma revisão dos estudos mais recentes reslizados na região e suas novas denominações geológicas, investiga as características físicas, os principais materiais constituintes e o comportamento mecânico de uma amostra de solo argilo-arenoso submetida a ensaios de laboratório. As propriedades dos solos são avaliadas através de resultados de ensaios tanto de laboratório quanto de campo, onde valores típicos são obtidos. Os resultados obtidos em laboratório são comparados com as estimativas de comportamento, ou correlações, da Bacia Sedimentar Terciária de São Paulo.O solo estudado provém de amostra indeformada extraída da bacia do Rio Paraíba do Sul da porção denominada membro Presidente Dutram Formação Pindamonhangaba, constituinte da Bacia do Taubaté. Ao longo desta dissertação são descritos os ensaios efetuados para a identificação do material atrsavés de ensaios de granulometria e limites de Atterberg, ensaios de difração de raios-x, e análise por microscopia eletrônica, além da determinação dos parâmetros de comportamento mecânico através de ensaios de adensamento unidirecional, cisalhamento direto e compressão triaxial.

Este trabalho propõe a aplicação da técnica de redes neurais artificiais (RNAs) para a previsão de propriedades geotécnicas dos solos do município de São Carlos (SP), baseada em outras propriedades determinadas preliminarmente. Esse método tem a finalidade de simplificar o processo de obtenção das propriedades dos solos, eliminando a lentidão dos procedimentos de ensaios e os cálculos a serem realizados, além de reduzir a dificuldade de ter que fazê-los utilizando os métodos tradicionais. Foram simuladas cento e noventa e sete RNAs para a previsão das seguintes propriedades: unidade ótima, massa específica seca máxima, mini-CBR na umidade de moldagem obtido na umidade ótima, mini-CBR obtido após 24h de imersão na umidade ótima, expansão e contração obtidas na umidade ótima para as energias normal e intermediária. No treinamento das RNAs foi utilizada uma base de dados com um total de cento e uma amostras que, além de conter os valores das propriedades \"alvo\" para previsão, também contém: valor de azul (Va), coeficiente de atividade (CA), análise granulométrica por sedimentação (peneiras #0,42,#0,074 e #0,075), parâmetros da classificação MCT (c\', Pi, d\' e e\') e classificação por cores (croma, valor e matriz). O aplicativo utilizado para treinar as RNAs foi o EASYNN 7.5, que se baseia em redes Multiplayer Perceptron e no algoritmo de treinamento Backpropagation. Para a previsão de propriedades geotécnicas dos solos, os desempenhos das redes foram bastante bons para umidade ótima, massa específica seca máxima e contração nas energias normal e intermediária. Contudo, os desempenhos das RNAs para mini-CBR na umidade de moldagem, mini-CBR após 24h de imersão e expansão obtidas na umidade ótima de energias normal e intermediária foram menos satisfatórios. De maneira geral, os resultados obtidos nesse estudo sugerem que modelos que fazem uso das redes neurais artificiais para previsão de propriedades geotécnicas de solos para pavimentação apresentam-se como promissores e podem, no futuro, contribuir para a melhoria e redução de custos da fase de estudo geotécnico para implantação de vias em municípios de pequeno e médio portes. / The application of the technique of Artificial Neural Networks (ANNs) for the forecast of geotechnical properties of the soils in São Carlos, a municipal district in the of São Paulo State, based on other properties determined preliminary is the purpose of this work. This method has the goal of simplifying the process of obtaining the properties of the soils, eliminating the slowness of the tests procedures and the calculations to be accomplished, besides reducing the difficulty of having to do them using the traditional methods. One hundred and ninety seven ANNs were simulated for the forecast of the following properties: optimum moisture content, dry density, mini-CBR in the molding humidity obtained in the optimum moisture content, mini-CBR obtained after 24 h of soaking in the optimum moisture content, expansion and contraction obtained in the optimum moisture content for the normal and intermediate energies. In the training of ANNs a base of data was used with a total of one hundred and one samples that, besides containing the values of the properties \"objective\" for forecast, it also contains: methylene blue value (Va), activity coefficient (CA), granulometric analysis for sedimentation (sieves #0,42, #0,074 and #0,005), parameters of the MCT classification (c\', Pi, d\' and e\') and classification by colors (chroma, value and hue). The application used to train ANNs was EasyNN 7.5, that bases on nets Multilayer Perceptron and in the training algorithm Backpropagation. For the forecast of geotechnical properties of the soils, the performance of the nets were very good for optimum moisture content, dry density and contraction in the normal and intermediate energies. However, the performance of ANNs for mini-CBR in the molding humidity, mini-CBR after 24 h of immersion and expansion obtained in the optimun moisture content of the normal and intermediate energies were less satisfactory. In a general way, the results obtained in this study suggest that the models that use Artificial Neural Networks for forecast of geotechnical properties of soils come as promising and can, in the future, contribute for the improvement and costs reduction during the period of geothecnical study in the implantation of roads in small and medium sized municipal districts.

Este trabalho propõe a aplicação da técnica de redes neurais artificiais (RNAs) para a previsão de propriedades geotécnicas dos solos do município de São Carlos (SP), baseada em outras propriedades determinadas preliminarmente. Esse método tem a finalidade de simplificar o processo de obtenção das propriedades dos solos, eliminando a lentidão dos procedimentos de ensaios e os cálculos a serem realizados, além de reduzir a dificuldade de ter que fazê-los utilizando os métodos tradicionais. Foram simuladas cento e noventa e sete RNAs para a previsão das seguintes propriedades: unidade ótima, massa específica seca máxima, mini-CBR na umidade de moldagem obtido na umidade ótima, mini-CBR obtido após 24h de imersão na umidade ótima, expansão e contração obtidas na umidade ótima para as energias normal e intermediária. No treinamento das RNAs foi utilizada uma base de dados com um total de cento e uma amostras que, além de conter os valores das propriedades \"alvo\" para previsão, também contém: valor de azul (Va), coeficiente de atividade (CA), análise granulométrica por sedimentação (peneiras #0,42,#0,074 e #0,075), parâmetros da classificação MCT (c\', Pi, d\' e e\') e classificação por cores (croma, valor e matriz). O aplicativo utilizado para treinar as RNAs foi o EASYNN 7.5, que se baseia em redes Multiplayer Perceptron e no algoritmo de treinamento Backpropagation. Para a previsão de propriedades geotécnicas dos solos, os desempenhos das redes foram bastante bons para umidade ótima, massa específica seca máxima e contração nas energias normal e intermediária. Contudo, os desempenhos das RNAs para mini-CBR na umidade de moldagem, mini-CBR após 24h de imersão e expansão obtidas na umidade ótima de energias normal e intermediária foram menos satisfatórios. De maneira geral, os resultados obtidos nesse estudo sugerem que modelos que fazem uso das redes neurais artificiais para previsão de propriedades geotécnicas de solos para pavimentação apresentam-se como promissores e podem, no futuro, contribuir para a melhoria e redução de custos da fase de estudo geotécnico para implantação de vias em municípios de pequeno e médio portes. / The application of the technique of Artificial Neural Networks (ANNs) for the forecast of geotechnical properties of the soils in São Carlos, a municipal district in the of São Paulo State, based on other properties determined preliminary is the purpose of this work. This method has the goal of simplifying the process of obtaining the properties of the soils, eliminating the slowness of the tests procedures and the calculations to be accomplished, besides reducing the difficulty of having to do them using the traditional methods. One hundred and ninety seven ANNs were simulated for the forecast of the following properties: optimum moisture content, dry density, mini-CBR in the molding humidity obtained in the optimum moisture content, mini-CBR obtained after 24 h of soaking in the optimum moisture content, expansion and contraction obtained in the optimum moisture content for the normal and intermediate energies. In the training of ANNs a base of data was used with a total of one hundred and one samples that, besides containing the values of the properties \"objective\" for forecast, it also contains: methylene blue value (Va), activity coefficient (CA), granulometric analysis for sedimentation (sieves #0,42, #0,074 and #0,005), parameters of the MCT classification (c\', Pi, d\' and e\') and classification by colors (chroma, value and hue). The application used to train ANNs was EasyNN 7.5, that bases on nets Multilayer Perceptron and in the training algorithm Backpropagation. For the forecast of geotechnical properties of the soils, the performance of the nets were very good for optimum moisture content, dry density and contraction in the normal and intermediate energies. However, the performance of ANNs for mini-CBR in the molding humidity, mini-CBR after 24 h of immersion and expansion obtained in the optimun moisture content of the normal and intermediate energies were less satisfactory. In a general way, the results obtained in this study suggest that the models that use Artificial Neural Networks for forecast of geotechnical properties of soils come as promising and can, in the future, contribute for the improvement and costs reduction during the period of geothecnical study in the implantation of roads in small and medium sized municipal districts.