Caracterização da rigidez inicial de areias utilizando Bender Elements

Abstract

A caracterização adequada da rigidez de um solo é um aspeto fundamental na modelação do comportamento de qualquer obra geotécnica. Estudos efetuados comprovam que a rigidez é neste tipo de materiais altamente não linear e que só para extensões inferiores a aproximadamente 0.001% se pode assumir um comportamento elástico. Para tão baixas deformações é usual considerar que o solo apresenta uma rigidez constante denominada usualmente por módulo de distorção máximo, Gmax. No entanto para extensões superiores a rigidez tende a decair rapidamente, observando-se uma redução de cerca de 90% do seu valor para extensões da ordem de 1%. Uma das dificuldades na caracterização da curva de degradação da rigidez prende-se com a determinação de Gmax, visto que este parâmetro apenas pode ser obtido realizando ensaios que induzam na amostra níveis de deformação muito pequenos. Uma das possibilidades mais frequentemente utilizadas consiste na realização de ensaios laboratoriais usando bender elements. Este tipo de ensaios permite estimar a velocidade de propagação das ondas de corte, VS, num solo, a qual se encontra diretamente relacionada com o Gmax, desde que se assuma que, para estes níveis de deformação, o solo se pode considerar como estando em regime elástico. O trabalho realizado nesta dissertação tem como principal objetivo a determinação do valor de Gmax de dois tipos de solos arenosos da região de Coimbra, recorrendo a ensaios laboratoriais de bender elements. A avaliação do Gmax tem igualmente como propósito complementar a caracterização destes solos arenosos, que tem já vindo a ser realizada no Laboratório de Geotecnia da Universidade de Coimbra. Para uma maior facilidade de interpretação dos resultados foram utilizadas amostras reconstituídas através um método de pluviação desenvolvido localmente. O trabalho contempla a realização de ensaios em amostras com diferentes densidades relativas a fim de avaliar a influência deste parâmetro na rigidez inicial dos solos. Um outro aspeto analisado é o efeito do confinamento lateral e o seu impacto no valor de Gmax. Para tal, ao longo de cada ensaio a tensão de confinamento das amostras foi progressivamente aumentada até patamares pré-estabelecidos. Pretendeu-se ainda analisar a influência de carregamentos cíclicos no valor da rigidez, pelo que foram executados vários ciclos de carga e descarga em cada ensaio. Por último efetuou-se uma comparação detalhada dos resultados obtidos entre as duas areias de Coimbra ensaiadas bem como com outros valores de referência publicados na bibliografia para solos com características similares.

An adequate characterization of the soil stiffness is a fundamental aspect when modelling the behaviour of any geotechnical work. Studies show that the stiffness in this type of materials is highly nonlinear and that only for small strains, lower than about 0.001%, it is possible to assume an elastic behaviour. For such small strains it is assumed that the soil has a constant stiffness usually known as maximum shear modulus, Gmax. However, for higher strains, stiffness tends to decrease sharply, and a decrease of about 90% of its value can be reached for strains around 1%. One of the major difficulties when characterizing the stiffness degradation curve is related with the determination of Gmax, as it can only be obtained by performing tests that induce very small strain levels in the sample. One of most frequently used possibilities in laboratory testing is using bender elements. This type of tests allows the determination of the propagation velocity of the shear waves VS, in the soil, which is directly related to Gmax, if it is assumed that the soil remains within the elastic threshold. The work performed in this thesis primarily aims to evaluate the value of Gmax for two types of sandy soils of the Coimbra region, by performing bender elements tests. The determination of Gmax, is part of the characterization program established for these sandy soils that is currently being carried out at the Geotechnical Laboratory of the University of Coimbra. For a simpler interpretation of the results, reconstituted samples through a pluviation method developed locally were tested. The work also includes a set of tests with different densities in order to evaluate the influence of this parameter in the initial stiffness of the soil. Another aspect that will also be analysed further is the effect of lateral confinement on the value of Gmax. In order to achieve that, the confinement pressure in each test was progressively increased to predefined levels. The influence of cyclic loading on stiffness value was also analysed. Thus, different cycles of loading and unloading in each test were carried out in each test. Finally, a comparison of the results obtained for the two Coimbra sands is presented. Those results are also compared with reference values published in the literature for soils with similar characteristics.