Influência da microestrutura no comportamento hidro-mecânico de uma argila siltosa não saturada incluindo pequenas deformações

Abstract

O crescente interesse da engenharia geotécnica em incorporar conceitos de mecânica de solos não saturados em sua prática corrente e o desenvolvimento de técnicas de laboratório que permitem a reprodução das condições não saturadas encontradas em campo tem permitido, nas últimas décadas, uma grande evolução na compreensão do comportamento dos solos não saturados. No princípio, o comportamento mecânico, hidráulico e microestrutural do solo eram estudados de maneira isolada. Posteriormente, sentiu-se a necessidade de analisar esses comportamentos de maneira integrada, permitindo uma compreensão mais completa. Diante deste contexto, o trabalho desenvolvido nesta tese objetiva o estudo da relação existente entre o comportamento estrutural, hidráulico e mecânico de solos não saturados. O material estudado é uma argila siltosa natural sobre a qual foi construído o Canal Algerri-Balaguer (Catalunha, Espanha), localizado em uma zona de clima semi-árido. O solo possui uma alta porosidade e apresenta comportamento colapsível. O acoplamento entre os aspectos mecânicos e o comportamento hidráulico do solo foi investigado e completado pelo estudo das mudanças na microestrutura induzidas pelas ações mecânicas. Este estudo permitiu verificar a pouca influência das deformações no comportamento hidráulico e microestrutural deste solo. Dessa maneira, a reprodução do comportamento deste solo é representado adequadamente pelos modelos elastoplásticos convencionais. Além disso, as propriedades hidráulicas do solo foram determinadas a partir de técnicas para obtenção de sua distribuição estrutural. Reciprocamente, foi observada a possibilidade de compreensão do comportamento estrutural do solo a partir de suas características hidráulicas. Os resultados obtidos evidenciam a importância do uso paralelo das técnicas testadas para a determinação das curvas características e a caracterização microestrutural do material, permitindo um melhor entendimento do comportamento hidráulico e estrutural de solos não saturados. Em acréscimo, o comportamento de solos não saturados sob pequenas deformações tem sido investigado para relacionar as propriedades mecânicas sob pequenas deformações às características hidráulicas e estruturais do material. Os resultados indicam a existência de dois diferentes mecanismos de variação de módulo de rigidez máximo do solo com a sucção, caso este processo ocorra na macro ou na microestrutura do solo. Dessa forma, surge a necessidade de desenvolver uma nova estrutura para modelar o comportamento dos solos não saturados sob pequenas deformações considerando esses mecanismos. ______________________________________________________________________________ ABSTRACT

The increasing interest of geotechnical engineers to incorporate concepts of unsaturated soil mechanics in their current practice and the development of experimental techniques to reproduce in situ conditions in the laboratory have provided the bases for a significant advance in the comprehension of the behaviour of these materials during the last decades. If, at early times, the mechanical, hydraulic and micro-structural behaviour of the soil were studied separately, it emerged subsequently the need for an integrated analysis of these different aspects of soil response within a more comprehensive framework. The work presented in this thesis has been developed in this context and focus on the study of the interplay existing between the micro-structural, hydraulic and mechanical behaviour of an unsaturated soil. The material studied is a natural silty clay extracted from the basement layer of the Algerri-Balaguer canal (Catalonia, Spain) located in a semi-arid climatic zone. The soil presents a high porosity and a marked collapsible behaviour. In a first step, the cross coupling between the mechanical and hydraulic responses of the soil have been investigated and completed by the study of the micro-structural changes induced by mechanical actions. This study allowed for concluding on the low influence played by the deformations on the hydraulic and microstructural behaviour of this particular soil that can be adequately modelled through conventional elastoplastic models. In a second step, an insight into the determination of the hydraulic properties of the soil from its micro-structural features has been performed by means of techniques providing the distribution of porosity within the material. Reciprocally, it has been verified the possibility to derive main features of soil micro-structure from its hydraulic response. The results obtained encourage strongly the parallel use of testing techniques allowing for the determination of the retention curve and the characterization of the micro-structural characteristics of the material for a better understanding of the hydraulic and structural behaviour of unsaturated materials. In a third step, the behaviour of the unsaturated soil at very small strains has been investigated in order to relate the mechanical properties at very small strains to the hydraulic state and the micro-structural characteristics of the material. The results evidence the existence of two different mechanisms of small-strain stiffness variation with suction, one occurring in the macro- and the other in the microstructure. This part ends by concluding on the necessity of developing a new framework to model the behaviour of unsaturated soils at very small-strains.