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Previous issue date: 2014-08-15 / Outro / Often overlooked, the mechanical behavior of unsaturated soils when subjected to high suctions
is relevant for several engineering problems. These range from common questions regarding
the behavior of near-surface desiccated clays to very specific challenges, such as the design of
nuclear waste disposal barriers. In this context, the objectives of this work are to experimentally
study the shear strength of a compacted unsaturated tropical soil considering high suctions, to
evaluate the performance of existing shear strength models, and to develop a model that
addresses the particular behavior observed under high suctions. The material studied, a residual
clayey soil from Goiania, GO, Brazil derived from mica schist, was semi-statically compacted
at optimum conditions corresponding to the Standard Proctor. An extensive experimental
program was undertaken, manly comprised of CDnsat triaxial tests for relatively low matric
suctions (i.e., lower than 300 kPa), CW triaxial tests for relatively high total suctions, and
Brazilian tensile tests also for high total suctions. The CW triaxial and tensile tests required the
measurements of suction before and after failure. These measurements were carried out using
both the filter paper technique for total and matric suction and a dew point potentiometer for
total suction. In addition, tests were performed to determine the soil-water characteristic curve
(SWCC) at unconfined condition. Data obtained from unsaturated triaxial tests also allowed the
measurement of the SWCC, specifically for the soil consolidated at different confining stresses
and for the soil subjected to deviator stresses. The experimental program was complemented
by consolidated-drained triaxial tests and isotropic compression tests, both under saturated
conditions. The monitoring of several stress, strain, and volume-mass state variables allowed
for a detailed evaluation of soil behavior. Based on the results of the experimental program, it
was determined that for total suctions ranging from zero up to approximately 10,000 kPa there
is significant nonlinear shear strength increase. Beyond that suction, shear strength decreases
as the soil desaturates. The shear strength loss depends on the net normal stress, with the soil
presenting smaller reductions in shear strength for higher confining stresses. A remarkable
relationship between the SWCC and the shear strength was observed, with the point of
maximum strength corresponding to the air-entry value of the micropores. The relationship
between shear strength and the water stored in micropores that are generally present within clay
aggregates indicates the importance of the mechanical stability of these soil aggregates. The
performance of different fitting and prediction models was evaluated considering both low
suctions and the wide range of suctions used in the experimental program. Existing prediction
models based on SWCC proved inaccurate for high suctions, requiring changes in their
formulations. A new family of models that consider the entire range of suctions, including the
loss of shear strength, was proposed. Finally, the prediction models using the SWCC of the soil
under deviator stress (i.e., peak conditions) was evaluated, showing that the use of the
unconfined SWCC presents superior prediction results to both low suctions and the wide range
of suctions. / Geralmente desprezado, o comportamento mecânico dos solos não saturados quando
submetidos a elevadas sucções é relevante em diversos problemas, desde o comportamento de
camadas superficiais de argilas ressecadas até o desempenho de barreiras para disposição de
resíduos nucleares. Neste contexto, o objetivo deste trabalho é estudar experimentalmente a
resistência ao cisalhamento de um solo tropical compactado não saturado considerando altas
sucções, avaliar modelos de comportamento existentes e desenvolver um modelo de
comportamento que contemple altas sucções. O material estudado, uma argila residual madura
de micaxisto de Goiânia, GO, foi compactada semi-estaticamente na condição ótima
correspondente ao Proctor Normal. Foi desenvolvida uma campanha de investigações
experimentais que incluiu ensaios triaxiais com controle de sucção do tipo CDnsat, para
relativamente baixas sucções matriciais (i.e., menores que 300 kPa), ensaios triaxiais do tipo
CW para relativamente altas sucções totais e ensaios de compressão diametral, também para
altas sucções totais. Os ensaios do tipo CW e de compressão diametral foram realizados com
medição de sucção pré e pós ruptura. Pra tal, foram empregadas a técnicas do papel filtro para
sucções totais e matriciais e um potenciômetro de ponto de orvalho para sucções totais. Foram
também realizados ensaios de determinação da curva característica solo-água (CCSA) em
condições não confinadas, dados esses que foram combinados com CCSAs obtidas a partir dos
ensaios triaxiais não saturados, para diferentes tensões confinantes e para diferentes tensões
desvio. O programa experimental foi complementado com ensaios triaxiais do tipo CD e ensaios
de compressão isotrópica, ambos para o solo saturado. O monitoramento de diversas variáveis
de estado de tensão, deformação e volume-massa, permitiu uma avaliação ampla do
comportamento do solo. Baseado nos resultados experimentais, foi determinado que o solo
submetido à sucções de até aproximadamente 10.000 kPa tem significante, porém não linear,
ganho de resistência ao cisalhamento. A partir deste ponto o solo sofre perda de parte dessa
resistência. A perda de resistência depende das tensões normais líquidas, sendo essa perda
menor para tensões confinantes maiores. Foi observada uma marcante relação entre a CCSA e
a resistência ao cisalhamento, sendo o ponto de máxima resistência associado ao ponto de início
da secagem dos microporos. A relação entre a resistência ao cisalhamento e a água armazenada
nos microporos, geralmente presente em agregados de argila, indica a importância da resistência
interna desses agregados. Foram avaliados os desempenhos de diversos modelos de
comportamento de solos não saturados na representação do comportamento do solo estudado,
considerando baixas sucções e toda a faixa de sucções empregadas. Foi proposta uma nova
família de modelos que considera toda a faixa de sucções, incluindo a perda de resistência ao
cisalhamento. Modelos de previsão baseados na CCSA existentes na literatura mostraram-se
pouco acurados para altas sucções, sendo necessárias alterações nas formulações. Finalmente,
os modelos de previsão foram avaliados utilizando as CCSAs de estado de ruptura, mostrando
que o uso de CCSAs desconfinadas apresentam melhor previsão de resistência tanto para altas
sucções (todas as sucções) quanto para baixas sucções (até 2.000 kPa).
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.bc.ufg.br:tede/7492 |
| Date | 15 August 2014 |
| Creators | Kuhn, Vinícius de Oliveira |
| Contributors | Gitirana Junior, Gilson de Farias Neves, Gitirana Junior, Gilson de Farias Neves, Vargas, Carlos Alberto Lauro, Marinho, Fernando Antônio Medeiros |
| Publisher | Universidade Federal de Goiás, Programa de Pós-graduação em Geotecnia, Estruturas e Construção Civil (EEC), UFG, Brasil, Escola de Engenharia Civil - EEC (RG) |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFG, instname:Universidade Federal de Goiás, instacron:UFG |
| Rights | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/, info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | Embargada pelo autor/orientador em 14/11/2014. Autorizado o povoamento pelo autor/orientador em 09/06/2017., 6915322422128222104, 600, 600, 600, 600, 724087251626315585, 8794820169253231856, 2442915598251853972 |
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