O presente trabalho descreve o desenvolvimento de um equipamento de ensaios triaxiais, com aquisição automática de dados e controle automático de trajetórias de tensões, e resultados de ensaios utilizando este equipamento. Medidores locais de deformaçòes axial e radial foram utilizados viabilizando a análise do comportamento de solos a baixos níveis de deformações. O equipamento foi construído com componentes já existentes e elementos de baixo custo. Um programa de controle foi desenvolvido para controlar tanto trajetórias lineares de tensões como a trajetória de deformação radial nula. O sistema foi desenvolvido visando o estudo de solos tropicais cimentados, tendo sido utilizado na execução de ensaios triaxiais em um solo residual regional de arenito - arenito Botucatu. Os resultados evidenciam a adequabilidade do sistema construído ao estudo proposto tornando possível a determinação de importantes características de comportamento deste solo. / The present work describes the developmentof an equipment for triaxial tests and some test results carried put on it. The equipment has automatic data acquisition and servo-control. Local asial and radial strain transducers were used allowing analysis of soil behaviour at low level of strains. The equipment was built with pre-existent triaxial elements and some other low cost cornponents. A software was developed to control linear stress paths as well as the null radial strain stress path. The whole system was built to study structured residual soils and has been used to test a sandstone residual soil - Botucatu sandstone. The results have shown a good performance of the system making possible the determinat ion of important mechanical characteristics of the soil.

O presente trabalho descreve o desenvolvimento de um equipamento de ensaios triaxiais, com aquisição automática de dados e controle automático de trajetórias de tensões, e resultados de ensaios utilizando este equipamento. Medidores locais de deformaçòes axial e radial foram utilizados viabilizando a análise do comportamento de solos a baixos níveis de deformações. O equipamento foi construído com componentes já existentes e elementos de baixo custo. Um programa de controle foi desenvolvido para controlar tanto trajetórias lineares de tensões como a trajetória de deformação radial nula. O sistema foi desenvolvido visando o estudo de solos tropicais cimentados, tendo sido utilizado na execução de ensaios triaxiais em um solo residual regional de arenito - arenito Botucatu. Os resultados evidenciam a adequabilidade do sistema construído ao estudo proposto tornando possível a determinação de importantes características de comportamento deste solo. / The present work describes the developmentof an equipment for triaxial tests and some test results carried put on it. The equipment has automatic data acquisition and servo-control. Local asial and radial strain transducers were used allowing analysis of soil behaviour at low level of strains. The equipment was built with pre-existent triaxial elements and some other low cost cornponents. A software was developed to control linear stress paths as well as the null radial strain stress path. The whole system was built to study structured residual soils and has been used to test a sandstone residual soil - Botucatu sandstone. The results have shown a good performance of the system making possible the determinat ion of important mechanical characteristics of the soil.

[pt] Este trabalho apresenta um estudo experimental detalhado do comportamento tensão-deformação-resistência de uma areia saturada submetida a uma condição tridimensional de carregamento. Os ensaios foram realizados nos equipamentos triaxiais cúbico e convencional. O equipamento triaxial cúbico apresenta a vantagem de controlar a magnitude das três tensões principais independentemente ( sigma 1 , sigma 2 , sigma 3 ) sob condições drenada e não drenada. Para o desenvolvimento do trabalho foi utilizada uma amostra de areia calcárea. Os corpos de prova utilizados foram moldados por pluviação submersa. No programa experimental foram realizados ensaios especiais, seguindo diferentes trajetórias de tensão. Este programa foi elaborado de modo a verificar a influência de cada parâmetro de tensão individualmente e os efeitos da anisotropia inicial de areias preparadas por pluviação submersa. Verifica-se através dos resultados de ensaios drenados que as deformações cisalhante e volumétrica são maiores na condição axissimétrica do que na de deformação plana. Tal observação equivale, em solicitações não drenadas, a um acréscimo de poropressão mais acentuado na condição axissimétrica. O comportamento anisotrópico de areias também é revelado com base em ensaios com diferentes direções ( alfa ) da tensão principal maior. Nos ensaios onde alfa = 90 graus Celsius (direção do carregamento perpendicular à de deposição do solo), ocorrem variações de deformação volumétrica e cisalhante bem mais acentuadas do que para alfa = 0 . O programa experimental mostrou ainda que areias calcáreas não cimentadas não apresentam comportamento tensão-deformação acentuadamente diferente do comportamento de areias de quartzo, mais usuais no Brasil. / [en] The subject of this dissertation is a detailed experimental study of the stress-strain-strength behavior of saturated sand under three-dimensional loading condition.The investigation was carried out in a cubic triaxial and a conventional apparatuses. The cubic triaxial apparatus has the advantage of independently controlling the magnitude of the three principal stresses (sigma1, sigma2, sigma3 ) under drained and undrained conditions. Reconstituted specimens of calcareous sand were used in all tests reported in this thesis.The specimens were prepared by pluviation of the sand in destilled water. Special tests were performed following different 3D stress paths. The experimental program was designed for checking the influence of each stress parameter individually. The effects of the inicial anisotropy of sands, caused by the water pluviation method, were also investigated.The results of the drained tests show that the shearing and volumetric strains are larger under axysimmetric than under plane strain condition. In undrained tests this observation would be equivalent to obtaining larger porepressure under axysimmetric conditions. The anisotropic behavior of sands is also noted in tests with different directions (alfa) of the major principal stress. In tests where alfa = 90 Celsius degrees ( direction of load perpendicular to pluviation) the variations in volumetric and shearing strains are much more accentuated than for alfa = 0.The experimental program also shows that the stress-strain behavior of uncemented calcareous sands is not significantly different from the behavior of quartz sands, which are more common in Brazil.

Este trabalho faz parte de uma pesquisa voltada ao estudo do comportamento mecânico do sistema ferroviário e tem foco principal no estudo experimental em laboratório que visa avaliar as características do lastro ferroviário em condições de carga variadas e determinar a influência dos principais parâmetros que afetam o comportamento da estrutura. O material utilizado em camada de lastro ferroviário é normalmente constituído de frações granulométricas graúdas o que dificulta a execução de testes de grande escala em laboratório, devido à robustez necessária do equipamento para representar a correta correspondência entre a amostra e o material de lastro. O principal objetivo deste trabalho foi avaliar a eficiência de um novo aparelho triaxial em larga escala (400mmx800mm), que permite ensaiar agregados graúdos como no campo sem a necessidade de escalonamento da curva granulométrica; analisar a aplicabilidade da técnica de graduação paralela em ensaios triaxiais utilizando equipamento cilíndrico de pequena escala (150mm x 300mm), no qual é mais fácil de manipular pequenas frações, assim como avaliar a influência de duas graduações diferentes sobre deterioração e deformação. Verificou-se que os materiais granulares revelam uma forte tendência de se compactar sob níveis elevados de estresse, causando um aumento significativo de rigidez. A graduação AREMA Nº 24 mostrou-se mais resistente à deformação e a deterioração quando comparada à AREMA Nº 3. O nível de tensões escolhido mostrou-se satisfatório para simular a via permanente sob carregamento, devido à deterioração dos agregados ao final do teste. Além disso, a degradação da amostra contaminada foi mais acentuada que aquela sem finos, demonstrando que o aumento no nível de colmatação implica em perda da durabilidade do lastro, acarretando em necessidade de mais ciclos de correção geométrica e diminuição de sua vida útil. Observou-se que combinação de finos e água no lastro afeta fortemente a resposta mecânica da via permanente, diminuindo sua rigidez e ocasionando instabilidade do sistema, devendo esta situação ser evitada. Os resultados também apontam que o aumento de carga por eixo contribui para uma degradação acelerada dos componentes da via, ocasionando a diminuição do período entre ciclos de manutenção. Os resultados contribuem para uma melhor compreensão do comportamento mecânico da camada de lastro, e desta forma auxiliam no projeto de vias férreas mais eficientes. / This work is part of a research focused on studying the mechanical behavior of the railroad system and has a primary focus on experimental laboratory work aimed to evaluate the characteristics of railway ballast under conditions of varying load and determines the influence of the main parameters that affect the behavior of the structure. Materials used in ballast layers are usually comprised of a highly coarse-graded gradation, hence the implementation of large-scale laboratory tests is difficult to conduct due to the corresponding large-scale triaxial specimens for railroad ballast material. The main purpose of this paper was to evaluate the efficiency of a new large-scale triaxial apparatus (400mm x 800mm), that allows testing large-size particles as found in the field without the need of scaling aggregates; the applicability of the parallel gradation technique in triaxial tests using small-scale cylindrical equipment (150mm x 300mm), in which it is easier to manipulate small fractions, as well as to assess the influence of two different gradations on ballast breakage and deformation. It was found that granular materials reveal a strong tendency to settle under higher stress levels, causing a significant increase of their strength and stiffness. The AREMA No. 24 gradation was found to be the most resistant to ballast settlement compared to AREMA No. 3. The stress level chosen was satisfactory to simulate the permanent way under load, due to deterioration of the aggregates at the end of the test. Moreover, the degradation of the contaminated sample was more pronounced than the one without fouling, demonstrating that increased level of fouling implies loss ballast durability, resulting in the need for more rounds of geometric correction and reduction of the life cycle. It was observed the combination of fines and water in the ballast strongly affects the mechanical response of the track, reducing its stiffness and causing system instability, and this situation must be avoided. The results also indicate that increasing axle load contributes to accelerated deterioration of track components, causing a decrease in the period between maintenance cycles. The results contribute to a better understanding of the mechanical behaviour of ballast layer, and thereby assist in the design of more efficient railways.

O presente trabalho descreve o desenvolvimento de um equipamento de ensaios triaxiais, com aquisição automática de dados e controle automático de trajetórias de tensões, e resultados de ensaios utilizando este equipamento. Medidores locais de deformaçòes axial e radial foram utilizados viabilizando a análise do comportamento de solos a baixos níveis de deformações. O equipamento foi construído com componentes já existentes e elementos de baixo custo. Um programa de controle foi desenvolvido para controlar tanto trajetórias lineares de tensões como a trajetória de deformação radial nula. O sistema foi desenvolvido visando o estudo de solos tropicais cimentados, tendo sido utilizado na execução de ensaios triaxiais em um solo residual regional de arenito - arenito Botucatu. Os resultados evidenciam a adequabilidade do sistema construído ao estudo proposto tornando possível a determinação de importantes características de comportamento deste solo. / The present work describes the developmentof an equipment for triaxial tests and some test results carried put on it. The equipment has automatic data acquisition and servo-control. Local asial and radial strain transducers were used allowing analysis of soil behaviour at low level of strains. The equipment was built with pre-existent triaxial elements and some other low cost cornponents. A software was developed to control linear stress paths as well as the null radial strain stress path. The whole system was built to study structured residual soils and has been used to test a sandstone residual soil - Botucatu sandstone. The results have shown a good performance of the system making possible the determinat ion of important mechanical characteristics of the soil.

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.

A busca de soluções racionais para problemas geotécnicos envolvendo solos cimentados, tanto naturais como artificiais, e sua incorporação à prática corrente da Engenharia Geotécnica, requer primordialmente o estabelecimento de critérios de análise, projeto e execução tecnicamente confiáveis e economicamente viáveis, o que, por sua vez, implica na capacidade de prever o comportamento mecânico desses materiais cimentados quando submetidos a condições específicas de trabalho. Neste contexto, o presente trabalho apresenta uma contribuição ao desenvolvimento de um arcabouço teórico fundamental à compreensão do comportamento geotécnico de solos cimentados, através de uma abordagem que contemplou, além da caracterização do comportamento básico de solos cimentados, a investigação teórica e experimental da relação tensão-dilatância-resistência observada na compressão triaxial para uma variada gama de materiais reconstituídos e cimentados. Todos os aspectos analisados do comportamento mecânico dos solos cimentados investigados foram, em maior ou menor grau, influenciados pela variação do grau de cimentação, da tensão efetiva média inicial e do índice de vazios. A análise da resposta dos materiais cimentados no espaço tensão-dilatância permitiu concluir, a partir do reconhecimento de padrões claros de comportamento, que a teoria da tensão-dilatância fornece um arcabouço com potencial para a interpretação do comportamento tensão-deformação e da resistência de materiais cimentados, na medida em que incorpora a dilatância como fator importante do comportamento geotécnico.

O comportamento de solos estruturados por cimentação é fortemente influenciado pelo estado de tensões existente durante a deposição do agente cimentante. Procedimentos rotineiros de extração e preparação de amostras em laboratório geralmente causam danos à estrutura natural do material, impedindo, muitas vezes a observação do comportamento real do ponto de vista de rigidez e de deformabilidade. A simulação, em laboratório, das condições de confinamento durante a formação da estrutura cimentante, torna-se uma condição necessária para o estudo do comportamento desses materiais. Seguindo essa linha, o trabalho busca avaliar a influência da tensão de confinamento (tensão de cura) existente durante a formação da cimentação no comportamento deste material, a partir de ensaios triaxiais drenados consolidados isotropicamente. Assim, neste estudo propõe-se a utilização de um solo artificialmente curado sob tensão, observando em conjunto a essa variável a influência do nível de cimentação bem como os efeitos oriundos da tensão confinantes utilizada na fase de cisalhamento. Procurou-se avaliar características de deformabilidade e resistência, através de uma análise do comportamento dos materiais. A avaliação das superfícies de plastificação foi realizada a partir da análise de pequenas deformações do solo cimentado. A análise tensãodilatância se desenvolveu com base no exame do comportamento do material a deformações relativamente grandes. Os resultados mostraram, no geral, que o comportamento do material cimentado foi fortemente influenciado pela variação da tensão de cura, tanto a pequenas bem como a deformações relativamente grandes. / The behavior of cemented structured soils is strongly influenced by the existing stress state during the addition of the cementation agent. The common procedures for laboratory sampling usually cause damage to the natural structure of the materials, hindering, many times, the identification of the real behavior in regard to deformability and stiffness properties. The simulation, in laboratory environment, of confining conditions during the cement structure formation turns to be a mandatory circumstance for the study of the material’s behavior. Inside this context, this work aims to evaluate the influence of the existing confining stress (stress cure) during the cement formation in the behavior of the material, through isotropic drained triaxial tests. Thus, it suggested in this study the usage of artificially cemented soil cured under stress, with parallel observation of the influence of the cement degree, as well the effects from the confining stress used during the shearing stage. It was also evaluated deformability and strength characteristics through behavior analyses of the materials. An assessment of the yield surfaces was carried on from soil cemented small deformation analysis. The evaluation of stress-dilatancy was developed based on the exam of relatively large deformation behavior. The results showed that the general behavior of this material was strongly influenced by the variation of the stress curing both at small strains and at relatively large strains.