京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第18933号 / 工博第3975号 / 新制||工||1612(附属図書館) / 31884 / 京都大学大学院工学研究科社会基盤工学専攻 / (主査)教授 木村 亮, 教授 勝見 武, 准教授 木元 小百合 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

[pt] Apresenta-se o estudo experimental sobre o comportamento de um solo arenoso reforçado e não reforçado com fibras de coco, através da realização de ensaios físicos e mecânicos (ensaios triaxiais isotropicamente drenados). A fibra de coco utilizada foi cortada nos comprimentos de 25 e 50 mm, sabendo que seu diâmetro não é constante, por se tratar de uma fibra natural. Busca-se estabelecer padrões de comportamento que possam explicar a influência da adição de fibras de coco, relacionando-a com os parâmetros de resistência ao cisalhamento e deformação do solo arenoso. Os ensaios foram realizados em amostras compactadas na densidade relativa de 50 por cento e umidade de 10 por cento, variando os teores de fibra na proporção de 0,25; 0,50; e 0,75 por cento em relação ao peso seco do solo. Constatou-se que a adição de fibra não modifica bruscamente as propriedades físicas na areia pura. Com relação ao comportamento mecânico comprovou-se a existência de um incremento na resistência ao cisalhamento em todas as misturas solo-fibra, uma vez que se observou um expressivo aumento do intercepto coesivo das misturas, e um discreto aumento do ângulo de atrito, em comparação aos resultados obtidos para a areia pura. Selecionou-se a mistura que apresentou os melhores resultados de resistência e submeteu-se as fibras a um processo de impermeabilização, com o objetivo de aumentar a vida útil do compósito, onde foi conferido que os parâmetros de resistência não se alteraram quando comparados a mistura com fibras sem impermeabilização. Os resultados se mostraram satisfatórios para aplicação da areia-fibra em camadas de aterros sanitários e aterros sobre solos moles, dando assim uma destinação mais sustentável a esse resíduo, garantindo soluções temporárias e mais econômicas. / [en] We report the experimental study on the behavior of a reinforced sandy soil and not reinforced with coir fibers, by conducting physical and mechanical tests (isotropic drained triaxial tests). Coir used was cut in lengths of 25 and 50 mm, knowing that its diameter is not constant, because it is a natural fiber. The aim is to establish behavior patterns that might explain the influence of the addition of coir fibers, relating it to the shear strength parameters and deformation of sandy soil. The tests were performed on specimens compressed in relative density of 50 percent and 10 percent moisture, varying fiber contents in the proportion of 0.25; 0.50; and 0.75 percent on the dry weight of the soil. It was found that the presence of the fiber does not change the physical properties of pure sand. With regard to mechanical behavior proved the existence of an increase in shear strength in all soil-fiber mixtures, since it was observed a significant increased cohesive intercept of mixtures, and a modest increase in friction angle, compared to the results obtained for the pure sand. The fibers of the mixture showed the best strength results were subjected to a sealing process with the aim of increasing the useful life of the composite, where the strength parameters have not changed compared to the mixture without sealing fibers.The results were satisfactory for use in sand-fiber landfill layers and embankments on soft soils, thus giving a more sustainable destination to this waste, ensuring temporary and more economical solutions.

La conception des ouvrages de génie civil dans les massifs rocheux fracturés nécessite une connaissance de leur comportement lors des travaux. Les ma ssifs fracturés sont généralement très complexes et représentés par des matrices et des discontinuités rocheuses. Cette thèse a pour objectif d'étudier le comportement mécanique du massif du futur tunnel de St Béat. La thèse est divisée en trois parties. Nous étudions tout d'abord les phénomènes prépondérants et les facteurs agissant sur le comportement mécanique des massifs rocheux. Dans la seconde partie, nous effectuons séparément des études expérimentales sur le comportement mécanique de la matrice et des discontinuités rocheuses. Enfin, dans la dernière partie, nous présentons une modélisation en 2D du comportement du massif fracturé lors du creusement du tunnel. L'étude expérimentale s'appuie sur des marbres rencontrés sur le site du tunnel. Le comportement de la matrice rocheuse est étudié à partir des essais de compression triaxiale sur des échantillons de roche saine. L'évolution de l'endommagement est caractérisée à l'aide des mesures de vitesses de propagation des ondes élastiques. Une enveloppe de rupture selon le critère linéaire de Mohr-Coulomb est proposée pour la matrice rocheuse. Le comportement au cisaillement des discontinuités naturelles est ensuite étudié sous différentes conditions de chargement (contrainte normale constante et rigidité normale imposée). La mesure de topographie des surfaces des discontinuités avant et après chaque essai mécanique permet de déterminer les paramètres statistiques de la rugosité. L'influence de la contrainte normale, la rigidité normale imposée, la rugosité initiale et la vitesse de cisaillement sur le comportement des discontinuités est mise en évidence. Des lois de comportement pertin entes sont proposées pour chaque type d'essais.Les caractéristiques mécaniques obtenues sont alors introduites dans le code de calcul UDEC afin de modéliser le comportement du massif en présence du tunnel, sous différentes conditions aux limites. La réponse en terme de déformations et de contraintes induites autour du tunnel est analysée / The design of civil engineering structures in fractured rock masses requires knowledge of their mechanical behavior. The fractured rock masses are usually very complex and separated in matrix and rock discontinuities. This thesis aims to study the mechanical behavior of St Beat tunnel rock mass. The thesis is divided into three parts. We study first the predominant phenomena and factors affecting the mechanical behavior of rock masses. In the second part, we perform separately experimental studies on the mechanical behavior of matrix and rock discontinuities. Finally, in the last section, we present a 2D model of the fractured rock mass behavior during the digging of the tunnel. The experimental study is based on the marbles encountered on the future tunnel site. The rock matrix behavior is studied using triaxial compression tests on intact rock samples. The damage evolution is characterized using propagation velocities measurements of elastic waves. A failure envelope by Mohr-Coulomb linear criterion is proposed for the rock matrix. The shear behavior of natural discontinuities is investigated under different loading conditions (normal stress or constant normal stiffness imposed). The discontinuities surfaces topography is measured before and after each mechanical test to determine the roughness statistical parameters. The influence of the normal stress, the normal stiffness, the initial roughness and the shear rate on the discontinuities behavior is demonstrated. A behavior law is proposed for each type of test.The mechanical properties obtained are introduced into the code UDEC to model the rock mass behavior with the presence of the tunnel, under different boundary conditions. The response in terms of deformations and stresses induced around the tunnel is analyzed

O objetivo deste trabalho é avaliar a influência da variação do teor de umidade no valor do módulo de resiliência (MR) de um solo argiloso de subleito, tendo em vista que este parâmetro é muito susceptível à variações climáticas ambientais. Foram realizados ensaios triaxiais cíclicos para se estimar o módulo de resiliência de corpos de prova ensaiados em diversas condições de umidade. Verificou-se que o MR é influenciado pela tensão desvio, de forma que aquele aumenta com o acréscimo desta. Constatou-se que os corpos de prova moldados na Wot e submetidos a trajetórias de secagem e umedecimento alcançaram valores de MR superiores e inferiores, respectivamente, ao se comparar com o MR de corpos de prova ensaiados na Wot. Este fato foi também observado para os corpos de prova moldados com massa específica seca máxima, em teores de umidade abaixo e acima do teor ótimo. Determinou-se, ainda, a sucção no solo através do método do papel filtro e levantou-se a sua curva característica. Verificou-se que à medida que a umidade aumenta, a sucção diminui. Observou-se que o valor do MR aumenta com o aumento da sucção no solo. Este crescimento é tanto maior quanto maior seja a tensão desvio aplicada. Foi possível determinar a relação entre o MR, a tensão desvio e o módulo tangente inicial (Eo), proveniente dos ensaios de compressão simples. Relacionou-se, também, o Eo e a sucção no solo. / The aim of this work is to evaluate the influence of moisture content variation in resilient modulus value (MR) of a subgrade clayey soil, considering that this parameter is very susceptible to environmental climatic variations. Cyclic triaxial tests were performed to acess resilient modulus of specimens tested in several moisture conditions. lt has been verified that MR is influenced by deviator stress, so that the former increases with the latter increases. lt has been confirmed that specimens molded in Wot and submited to a drying and moistening route reached MR values higher and lower, respectively, to compare with MR of specimens tested in Wot. This fact was also observed for the specimens molded with dry density, in moisture contents below and above of optimum moisture content. lt has been also determined the soil suction using filter paper method and it has been built its characteristic curve. lt has been verified that when moisture increases, the suction decreases. lt has been observed that MR value increases with the soil suction increase. This increase is as bigger as bigger the applied deviator stress be. lt was possible to determine the relationship between MR, deviator stress and parameters from compressive strength tests. lt has been related parameters from compressive strength tests and soil suction.

Muitas são as pesquisas que avaliam as variáveis intervenientes no colapso dos solos: contudo, pouco tem sido publicado a respeito da influência da trajetória de ciclos de umedecimento e secagem, no comportamento colapsível do solo, e do colapso em condições de carregamento triaxial. O presente trabalho tem como objetivo estudar o colapso de um solo arenoso, típico da região centro-oeste do Estado de São Paulo, frente a tais variáveis através de ensaios edométricos convencionais, edométricos com controle de sucção e triaxiais. Dos ensaios edométricos convencionais caracterizou-se o colapso sob vários níveis de tensão, determinando assim a sobrecarga de inundação que causa máximo colapso. Nos ensaios de compressão triaxial, cada amostra foi inundada sob um determinado estado de tensão, caracterizado pela relação &#9631/&#9633. Nestes ensaios foi observado que as deformações volumétricas são dependentes da tensão confinante e da relação &#9631/&#9633, e que as deformações axiais por colapso são menores que as medidas nos ensaios edométricos convencionais. Nos ensaios edométricos com sucção controlada verificou-se que o valor inicial da sucção apresenta influência no valor do colapso total. Quanto aos ciclos de umedecimento e secagem, o solo sofreu colapso insignificante quando a sucção foi reduzida a um mesmo valor pela segunda vez. Os resultados experimentais dos ensaios edométricos com sucção controlada foram então modelados de acordo com o modelo de ALONSO et. al, (1990), e as adaptações a esse modelo propostas por FUTAI (1997) e MACHADO (1998), verificando-se a capacidade de cada formulação em representar matematicamente o comportamento colapsível do solo estudado. / There are many researches that evaluate and discuss the factors which interfere in the collapse of soils. However, not many have been published regarding the influence of the cycles of wetting in the collapsible behavior of the soil, and neither have collapse strains under triaxial load. The present work deals with the collapse behavior of a sandy soil, typical from the center-west of the State of São Paulo, considering the aforesaid aspects and using conventional oedometer, suction controlled oedometer and triaxial compression tests. In conventional oedometer tests, the influence of overburden stress on the induced wetting on collapse strains was characterized. Collapse strains were also measured in triaxial compression tests, varying the ratio of principal stress (&#9631/&#9633) when the samples are inundated. It was observed that collapse volumetric strains are dependent on confining stress and on &#9631/&#9633, and that, axial and radial strains are related to the ratio of &#9631/&#9633. The axial collapse strains observed in triaxial compression tests were shown to be lower than the ones measured in conventional oedometer tests. In controlled suction tests, the amount of collapse strains under gradual suction reduction was studied including the influence of suction reversals. It was noted that the initial suction influences the amount of collapse strains, and that, in the cycles of wetting and drying, the strains after the second cycle tended to be negligible. Experimental results from suction controlled oedometer tests were modeled through the model by ALONSO et. al. (1990) and by the adaptations to this model proposed by FUTAI (1997) and MACHADO (1998).

O conhecimento do módulo de resiliência dos materiais constituintes do pavimento e do seu subleito é indispensável quando o objetivo é projetá-lo, ou analisar o seu comportamento frente à solicitação das cargas rodoviárias. O módulo de resiliência é determinado, na maioria das vezes, a partir de resultados de ensaios triaxiais dinâmicos, que exigem equipamentos complexos para a sua realização. Assim, é desejável que se disponha de métodos que possibilitem a sua avaliação a partir de resultados de ensaios mais simples. Neste trabalho, foram realizados ensaios triaxiais dinâmicos para a determinação do módulo de resiliência de dois solos, um argiloso e outro arenoso fino, compactados nas energias normal e intermediária. A partir dos resultados dos ensaios cíclicos foi possível modelar a variação do módulo de resiliência com a variação do carregamento aplicado e identificar, entre as variáveis de tensão, aquelas que exercem maior influência no valor deste módulo. A existência de discrepâncias significativas entre os valores de módulo de resiliência obtidos a partir de sucessivos ensaios de um mesmo corpo-de-prova foi também investigada. Finalmente, analisou-se a existência de uma relação entre o módulo de resiliência obtido nos ensaios dinâmicos e o módulo tangente inicial proveniente de ensaios de compressão simples, sob diversos níveis de tensão. Os resultados mostram que este tipo de associação é promissora, mas exige-se que o universo dos solos estudados seja ampliado para que se estabeleça uma conclusão definitiva. / The knowledge about the resilient modulus of the pavement constituent materials and subgrade is essential in order to design or to analyze theirs behavior subjected to traffic loading. Often, the resilient modulus is obtained from repeated load triaxial tests demanding complex equipment for their execution. Thus, is desirable to develop methods to permit its evaluation from more simple tests. In this work, repeated load triaxial tests are carried out to the determination of the resilient modulus of two soils, a clay and a fine sand, compacted in the normal and intermediate AASHTO compretion efforts. From the repeated load triaxial test data it was possible to model the variation of resilient modulus with the variation of applied loading as wellos to identify, among the stress parameters, those of more influence on the value of this modulus. The significant discrepancy among the resilient modulus values obtained from successive tests in the same sample was also investigated. Finally, equations were developed in order to correlata the resilient modulus from repeated load triaxial tests to parameters from compressive strength tests, considering different states of stress. lt was shown that this type of empirical correlation presented satisfactory results, although incisiva conclusions could not be drawn without using a lager number and variety of soils.

O conhecimento do módulo de resiliência (MR) é fundamental ao se projetar um pavimento, pois ele é necessário para o cálculo de tensões, deformações e deflexões nas suas camadas e subleito, bem como, a análise do desempenho do sistema. Embora ensaios de campo possam ser empregados para se determinar o MR, a grande maioria das pesquisas nesse sentido são desenvolvidas em laboratório, onde é possível um maior controle das condições da amostra, da aplicação de carregamento e medida dos deslocamentos. Porém, pela complexidade e alto custo dos ensaios de laboratório, há a necessidade de pesquisas que disponibilizem expressões que permitam estimar o MR a partir de resultados de ensaios mais simples que o triaxial cíclico e usuais na pavimentação. Nesta pesquisa, foram realizados ensaios triaxiais cíclicos para a determinação do MR de três solos empregados em rodovias de Campo Grande - MS. A partir dos resultados dos ensaios triaxiais cíclicos, verificou-se o desempenho dos modelos mais comumente empregados para se representar a variação do módulo de resiliência em função do estado de tensão. Foram propostas e analisadas expressões matemáticas entre o MR obtido a partir dos ensaios triaxiais cíclicos e o módulo tangente inicial proveniente de ensaios de compressão simples, sob diversos níveis de tensão. Finalmente, analisou-se a existência de relações que englobem, além dos solos estudados nesta pesquisa, os solos estudados anteriormente em outras pesquisas desenvolvidas na EESC-USP. Os resultados mostram que este tipo de associação é promissora, mas exige-se que o universo de solos estudados seja ampliado para que se estabeleça uma inferência decisiva. / The resilient modulus knowledge (MR) is fundamental for pavement design, once it is necessary for stresses, strains and deflections calculus in its layers and subgrade, as well as, the analysis of system performance. Although field tests may be used to determine the dynamic behavior of soils, most of researchers favor laboratory tests, based on the fact that such tests are less constrained because of their carefully controlled conditions. Because laboratory procedures are considered complex and highly expensive, it is desirable to establish relationships among MR and other index properties that are relatively simple and usual in pavement construction. In this research, cyclic triaxial tests were performed to determine MR of three soils used in Campo Grande-MS roads. The performance of the models most commonly adopted to represent resilient modulus as a function of state of stress were verified. A mathematical expression among MR, obtained from the cyclic triaxial tests, and the initial tangent modulus, obtained from unconfined compression strength tests, were developed considering different states of stress. Finally, were analyzed the existence of relationships among soils studied in this research, and soils used in previous studies developed at EESC-USP. Results show that this type of empirical correlation presents a satisfactory results, however incisive conclusions cannot be taken without a large number and variety of soils.

O módulo de resiliência é uma propriedade mecânica dos solos indispensável para análise estrutural de pavimentos em termos de tensão e deformação. O principal ensaio laboratorial para estimativa do módulo de resiliência dos solos é o ensaio triaxial cíclico no qual existe um maior controle das condições da amostra, dos carregamentos aplicados e dos deslocamentos medidos. A utilização de relações para obtenção do módulo de resiliência a partir de propriedades do solo obtidas de ensaios mais simples e rotineiros é permitida pelo procedimento NCHRP 1-37A (2004) e pode ser muito útil para fase de anteprojeto de implantação de rodovias, pois permite uma avaliação rápida do módulo de resiliência dos solos de jazidas e subleitos, localizados ao longo das diversas alternativas de traçados a serem analisadas. No entanto, as relações existentes ou são restritivas, por não considerarem os solos das regiões tropicais de comportamento laterítico e não laterítico da classificação MCT (Miniatura Compactado Tropical), ou são de baixa eficiência. Considerando-se o sucesso que as redes neurais artificiais (RNAs) têm apresentado no campo da engenharia em estabelecer relações entre variáveis explicativas e variáveis resposta, neste trabalho foram desenvolvidas RNAs para relacionar o módulo de resiliência com as propriedades do solo, tanto para solos grossos compactados na energia modificada como para solos compactados na energia normal. O banco de dados utilizado no trabalho baseou-se nos resultados de ensaios de setenta e seis amostras de solos coletadas no interior do Estado de São Paulo. Finalmente, verificou-se que as RNAs podem prever, com alta eficiência, o módulo de resiliência dos solos tropicais de comportamento laterítico e não laterítico a partir de propriedades do solo tais como: composição granulométrica, LL, IP, umidade ótima e resultados do ensaio de compressão simples. / The resilient modulus is an essential mechanical property for stress-strain analysis of pavements. The main test to evaluate resilient modulus of soils is cyclic triaxial test which there is a better control not only of samples but also of loads and displacements. Nowadays, the utilization of relationships to obtain resilient modulus from soils properties, from routine simple tests, is allowed by procedure NCHRP 1-37A, and that can be useful in initial design in construction of roads, as the resilient modulus of material pits and subgrades, places along several alternative traces of design, can be evaluated very fast by relationships. However, the existing relationships are restrictive, because they do not consider tropical soils of lateritic and non-lateritic behavior from MCT (Miniatura Compactado Tropical) classification and they have low performance. Artificial neural networks (ANNs) have shown high success to establish relationships from answering variables and explicative variables, so in this work was developed ANNs to establish relationships from resilient modulus and soil properties, not only for sandy soils in Proctor\'s modified compaction energy but also for soils in Proctor\'s standard compaction energy. The data base used in this work was laboratory test results from seventy-six soils which were collected in interior of Sao Paulo state. Finally, for tropical soils of lateritic and non-lateritic behavior, it was verified that ANNs can forecast, with high performance, resilient modulus from soil properties just as: grain size composition, liquid limit (LL), plasticity index (PI), optimum moisture content and results of simple strength compressive test.

O conhecimento do módulo de resiliência (MR) é fundamental ao se projetar um pavimento, pois ele é necessário para o cálculo de tensões, deformações e deflexões nas suas camadas e subleito, bem como, a análise do desempenho do sistema. Embora ensaios de campo possam ser empregados para se determinar o MR, a grande maioria das pesquisas nesse sentido são desenvolvidas em laboratório, onde é possível um maior controle das condições da amostra, da aplicação de carregamento e medida dos deslocamentos. Porém, pela complexidade e alto custo dos ensaios de laboratório, há a necessidade de pesquisas que disponibilizem expressões que permitam estimar o MR a partir de resultados de ensaios mais simples que o triaxial cíclico e usuais na pavimentação. Nesta pesquisa, foram realizados ensaios triaxiais cíclicos para a determinação do MR de três solos empregados em rodovias de Campo Grande - MS. A partir dos resultados dos ensaios triaxiais cíclicos, verificou-se o desempenho dos modelos mais comumente empregados para se representar a variação do módulo de resiliência em função do estado de tensão. Foram propostas e analisadas expressões matemáticas entre o MR obtido a partir dos ensaios triaxiais cíclicos e o módulo tangente inicial proveniente de ensaios de compressão simples, sob diversos níveis de tensão. Finalmente, analisou-se a existência de relações que englobem, além dos solos estudados nesta pesquisa, os solos estudados anteriormente em outras pesquisas desenvolvidas na EESC-USP. Os resultados mostram que este tipo de associação é promissora, mas exige-se que o universo de solos estudados seja ampliado para que se estabeleça uma inferência decisiva. / The resilient modulus knowledge (MR) is fundamental for pavement design, once it is necessary for stresses, strains and deflections calculus in its layers and subgrade, as well as, the analysis of system performance. Although field tests may be used to determine the dynamic behavior of soils, most of researchers favor laboratory tests, based on the fact that such tests are less constrained because of their carefully controlled conditions. Because laboratory procedures are considered complex and highly expensive, it is desirable to establish relationships among MR and other index properties that are relatively simple and usual in pavement construction. In this research, cyclic triaxial tests were performed to determine MR of three soils used in Campo Grande-MS roads. The performance of the models most commonly adopted to represent resilient modulus as a function of state of stress were verified. A mathematical expression among MR, obtained from the cyclic triaxial tests, and the initial tangent modulus, obtained from unconfined compression strength tests, were developed considering different states of stress. Finally, were analyzed the existence of relationships among soils studied in this research, and soils used in previous studies developed at EESC-USP. Results show that this type of empirical correlation presents a satisfactory results, however incisive conclusions cannot be taken without a large number and variety of soils.

O conhecimento do módulo de resiliência dos materiais constituintes do pavimento e do seu subleito é indispensável quando o objetivo é projetá-lo, ou analisar o seu comportamento frente à solicitação das cargas rodoviárias. O módulo de resiliência é determinado, na maioria das vezes, a partir de resultados de ensaios triaxiais dinâmicos, que exigem equipamentos complexos para a sua realização. Assim, é desejável que se disponha de métodos que possibilitem a sua avaliação a partir de resultados de ensaios mais simples. Neste trabalho, foram realizados ensaios triaxiais dinâmicos para a determinação do módulo de resiliência de dois solos, um argiloso e outro arenoso fino, compactados nas energias normal e intermediária. A partir dos resultados dos ensaios cíclicos foi possível modelar a variação do módulo de resiliência com a variação do carregamento aplicado e identificar, entre as variáveis de tensão, aquelas que exercem maior influência no valor deste módulo. A existência de discrepâncias significativas entre os valores de módulo de resiliência obtidos a partir de sucessivos ensaios de um mesmo corpo-de-prova foi também investigada. Finalmente, analisou-se a existência de uma relação entre o módulo de resiliência obtido nos ensaios dinâmicos e o módulo tangente inicial proveniente de ensaios de compressão simples, sob diversos níveis de tensão. Os resultados mostram que este tipo de associação é promissora, mas exige-se que o universo dos solos estudados seja ampliado para que se estabeleça uma conclusão definitiva. / The knowledge about the resilient modulus of the pavement constituent materials and subgrade is essential in order to design or to analyze theirs behavior subjected to traffic loading. Often, the resilient modulus is obtained from repeated load triaxial tests demanding complex equipment for their execution. Thus, is desirable to develop methods to permit its evaluation from more simple tests. In this work, repeated load triaxial tests are carried out to the determination of the resilient modulus of two soils, a clay and a fine sand, compacted in the normal and intermediate AASHTO compretion efforts. From the repeated load triaxial test data it was possible to model the variation of resilient modulus with the variation of applied loading as wellos to identify, among the stress parameters, those of more influence on the value of this modulus. The significant discrepancy among the resilient modulus values obtained from successive tests in the same sample was also investigated. Finally, equations were developed in order to correlata the resilient modulus from repeated load triaxial tests to parameters from compressive strength tests, considering different states of stress. lt was shown that this type of empirical correlation presented satisfactory results, although incisiva conclusions could not be drawn without using a lager number and variety of soils.