Interpretation and Prediction of the Hydromechanical Behavior of Unsaturated Soils in Tropical Regions

dc.contributor.advisor-co1Vanapalli , Sai Krishna
dc.contributor.advisor1Gitirana Júnior, Gilson de Farias Neves
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/4710728908810849
dc.contributor.referee1del Prado, Zenón José Guzmán Núñez
dc.contributor.referee2Sales, Maurício Martines
dc.contributor.referee3Marinho, Fernando Antônio Medeiros
dc.contributor.referee4Zabolotnii, Elena
dc.contributor.referee5Satyanaga, Alfrendo
dc.creatorAlves, Roberto Dutra
dc.creator.Latteshttp://lattes.cnpq.br/6581933816343363
dc.date.accessioned2025-05-08T12:33:00Z
dc.date.available2025-05-08T12:33:00Z
dc.date.issued2024-11-27
dc.description.abstractTropical soils are widespread in many countries and regions of the world, including Brazil, large portions of the African continent, and Asia. These soils are often found in an unsaturated state and their hydromechanical behavior is predominantly influenced by their structure which is often characterized by intra and inter-aggregate pores. The intense weathering associated with high temperatures and relatively high annual rainfall results in the formation of aggregations associated with the cementation of clay particles. The top few meters of soil depth profile in tropical regions constitute a highly weathered layer (typically, lateritic soil) sitting on top of a less weathered layer with traces of the parent rock (normally, saprolitic soil). These lateritic soils attain aggregations that impart a dual-porosity resulting in a different pore size characteristics that contribute to bimodal soil-water characteristic curve (SWCC) behavior. Also, they attain different characteristics over their long formation period in comparison to conventional soils; due to this reason, traditional classification systems are not suitable. Despite advances in recent decades, there are limited studies with respect to interpretation and prediction of the hydro-mechanical behavior of bimodal lateritic soils. For this reason, there is a need for rational tools for use in conventional geotechnical engineering practice for the design of various geo-infrastructures extending the principles of unsaturated soil mechanics that are simple, especially in the context of climate change in which unprecedent changes in suction arise. Most existing constitutive models describing the behavior of unsaturated soils were developed for soils with a single pore-size family. As a result, these models have limitations iii or are inadequate for lateritic soils that are typically bimodal in nature. Therefore, the two major objectives of this thesis are: (i) to model the bimodal SWCC, and (ii) to model the shear strength with respect to suction for these dual porosity soils. In this context, the modeling effort includes both advances in the understanding of soil behavior and the development of prediction models. The SWCC behavior of bimodal lateritic soils was investigated by considering physicochemical aspects and their relation to the soil structure. The analyses were performed relying on a database of 27 soils divided into 25 and 15 datasets corresponding to undisturbed and remolded conditions, respectively. A new framework was proposed to estimate the bimodal SWCC for these soils based on a function describing the relation between particle and pore-size. The framework uses basic soil information and relates the macro and microstructure to the aggregated and disaggregated grain-size distribution (GSD) curves, respectively. Adsorption was indirectly considered by incorporating simple soil properties such as the liquid limit in the calibration of the function parameters. The coefficient of uniformity and the degree of aggregation were found to be associated with the desaturation zones of the macro and micropores. A simplified prediction model for the SWCC based on correlations and nonlinear regression approaches was also proposed. The regression analyses indicated that the level of aggregation and the liquid limit are the most relevant factors affecting microstructure whereas the macrostructure is strongly governed by parameters from the aggregated GSD curve. The performance of both models evaluated through R² is reasonably good, with values consistently exceeding 0.80. iv The shear strength model involved the analysis of the evolution of soil structure during shearing and its impact on the relationship between matric suction, net normal stress, and shear strength. Such analyses included the interpretation of the unusual behavior of some bimodal lateritic soils, where the contribution of suction to shear strength is greater than that of net normal stress (i.e., ϕ b > ϕ'). The model assumes that only suctions within the micropores zone cause relevant structural changes during shearing that can decrease ϕ b whereas ϕ' varies in all suction ranges. At high suctions, the contribution of suction to the shear strength becomes constant. These assumptions constitute the basis for a new shear strength prediction model that is easy to implement, requires only GSD and SWCC information, and offering superior results (R² > 0.95) in comparison to 14 unimodal and 2 bimodal models available in the literature. The increase in the effective friction angle, ϕ' with respect to matric suction during shearing seems to be a function of the level of aggregation; however, the values of the friction angle associated with matric suction, ϕ b , greater than ϕ' are believed to occur due to the emergence of a contractive shear band in specimens with suctions higher than the first air-entry value in drained conditions. The relationship between apparent cohesion and matric suction appears to exhibit a linear relationship extending from saturation to the end of the macropores region, and a non-linear relationship starting from the preceding limit to the midpoint of the micropores transition region. Although the purpose of the models presented in this thesis is not to replace direct determinations using laboratory tests, they can be considered a step forward in the implementation of unsaturated soil mechanics for lateritic soils because they offer reasonable estimates of the SWCC and the unsaturated shear strength. This information is v essential in developing preliminary geotechnical designs, such as those related to slope stability, retaining walls, bearing capacity of formation layers of roads and railroads, bearing capacity in foundations, cover and capillary barrier systems, and mining waste disposal systems.eng
dc.description.resumoSolos tropicais estão distribuídos por muitos países e regiões do mundo, incluindo o Brasil, grandes porções do continente africano e da Ásia. Estes solos encontram-se frequentemente num estado não-saturado e o seu comportamento hidromecânico é predominantemente influenciado pela sua estrutura, que é frequentemente caracterizada por poros intra e inter-agregados. A intensa intemperização associada à altas temperaturas e à elevadas precipitações anuais resulta na formação de agregados associados à cimentação das partículas de argila. Os metros superiores do perfil do solo em regiões tropicais constituem uma camada altamente intemperizada e – tipicamente de solo laterítico – assentada no topo de uma camada menos intemperizada com vestígios da rocha-mãe normalmente de solo saprolítico. Os solos lateríticos possuem agregações que conferem uma dupla porosidade, resultando em diferentes caraterísticas de tamanho dos poros que contribuem para um comportamento bimodal da curva caraterística solo-água (CCSA). Além disso, adquirem caraterísticas diferentes durante o seu longo período de formação em comparação com os solos convencionais; e por este motivo, os sistemas de classificação tradicionais não são adequados. Apesar dos avanços nas últimas décadas, há poucos estudos sobre a interpretação e previsão do comportamento hidromecânico dos solos lateríticos bimodais. Por esta razão, entende-se necessário dispor de ferramentas racionais para a utilização na prática da engenharia geotécnica convencional, estendendo os princípios da mecânica dos solos não- vii saturados, cuja importância se faz cada vez mais notória no contexto de alterações climáticas em que surgem variações de sucções sem precedentes. A maioria dos modelos constitutivos existentes que descrevem o comportamento de solos não-saturados foi desenvolvida para solos com uma única família de tamanhos de poros. Como resultado, estes modelos têm limitações ou são inadequados para solos lateríticos que são tipicamente bimodais por natureza. Por conseguinte, os dois principais objectivos desta tese são: (i) modelar a CCSA bimodal, e (ii) modelar a resistência ao cisalhamento em relação à sucção para estes solos de porosidade dupla. Neste contexto, a modelagem inclui tanto avanços na compreensão do comportamento do solo como o desenvolvimento de modelos de previsão. O comportamento em termos de CCSA de solos lateríticos bimodais foi investigado considerando aspectos físico-químicos e sua relação com a estrutura do solo. As análises foram realizadas com base em um banco de dados de 27 solos divididos em 25 e 15 conjuntos de dados correspondentes a condições indeformadas e remoldadas, respetivamente. Foi proposto um novo método para estimar a CCSA bimodal para estes solos com base numa função que descreve a relação entre a dimensão das partículas e dos poros. O método utiliza informações básicas do solo relacionando a macro e a microestrutura com as curvas granulométricas agregadas e desagregadas, respetivamente. A adsorção foi indiretamente considerada através da incorporação de propriedades simples do solo, como o limite de liquidez, na calibração dos parâmetros da função. Verificou-se que o coeficiente de uniformidade e o grau de agregação estão associados às zonas de dessaturação dos macro e microporos. viii Também foi proposto um modelo de previsão simplificado para a CCSA baseado em correlações e métodos de regressão não linear. As análises de regressão indicaram convergência nos métodos confirmando a importância dos parâmetro mencionados. Também verificou-se que macroestrutura é fortemente regida por parâmetros da curva granulométria agregada. O desempenho de ambos os modelos propostos foram avaliados através do coeficiente de determinação R² com resultados razoavelmente bons e valores consistentemente superiores a 0,80. O modelo de resistência ao cisalhamento envolveu a análise da evolução da estrutura do solo durante o cisalhamento e o seu impacto na relação entre sucção matricial, tensão normal líquida e a resistência ao cisalhamento. Essas análises incluíram a interpretação do comportamento não usual de alguns solos lateríticos bimodais, em que a contribuição da sucção para a resistência ao cisalhamento é maior do que a da tensão normal líquida (ou seja, ϕ b > ϕ'). O modelo assume que apenas as sucções dentro da zona de microporos causam alterações estruturais relevantes durante o cisalhamento que podem diminuir o valor de ϕ b , enquanto o ângula de atrito efetivo varia em todos os intervalos de sucção. Em sucções elevadas, a contribuição da sucção para a resistência ao cisalhamento torna-se constante. Estes pressupostos constituem a base para um novo modelo de previsão da resistência ao cisalhamento de fácil implementação que requer apenas informações das granulometrias e CCSA, e oferece resultados superiores (R² > 0,95) em comparação com 14 modelos unimodais e 2 bimodais disponíveis na literatura. O aumento do ângulo de atrito efetivo, ϕ', em relação à sucção matricial durante o cisalhamento aparenta depender do grau de agregação; no entanto, acredita-se que os valores do ângulo de atrito associado à sucção matricial, ϕ b , maiores que ϕ' ocorrem devido ao surgimento de uma banda de ix cisalhamento contrativa em corpos de prova com sucções superiores ao primeiro valor de entrada de ar e em condições drenadas. A relação entre a coesão aparente e a sucção matricial parece exibir uma relação linear que se estende desde a saturação até ao fim da região de macroporos, e uma relação não linear que começa no limite anterior até ao ponto médio da região de transição de microporos. Embora o objetivo dos modelos apresentados nesta tese não seja substituir as determinações diretas através de ensaios laboratoriais, estes podem ser considerados um passo em frente na implementação da mecânica dos solos não-saturados para solos lateríticos, uma vez que oferecem estimativas razoáveis da CCSA e da resistência ao cisalhamento não-saturada. Esta informação é essencial para o desenvolvimento de projetos geotécnicos preliminares, tais como aqueles relacionados com a estabilidade de taludes, muros de contenção, capacidade de suporte de pavimentos e ferrovias, capacidade de suporte em fundações, sistemas de cobertura e barreiras capilares, e barragens de rejeitos.
dc.description.sponsorshipCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES
dc.identifier.citationALVES, R. D. Interpretation and Prediction of the Hydromechanical Behavior of Unsaturated Soils in Tropical Regions. 2025. 418 f. Tese (Doutorado em Geotecnica, Estruturas e Construção Civil) - Escola de Engenharia Civil e Ambiental, Universidade Federal de Goiás, Goiânia, 2024.
dc.identifier.urihttp://repositorio.bc.ufg.br/tede/handle/tede/14253
dc.languageeng
dc.publisherUniversidade Federal de Goiáspor
dc.publisher.countryBrasilpor
dc.publisher.departmentEscola de Engenharia Civil e Ambiental - EECA (RMG)
dc.publisher.initialsUFGpor
dc.publisher.programPrograma de Pós-graduação em Geotecnia, Estruturas e Construção Civil (EEC)
dc.rightsAcesso Embargado
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
dc.subjectSoil-water characteristic curveeng
dc.subjectUnsaturated shear strengtheng
dc.subjectPedotransfer functionseng
dc.subjectPrediction modelseng
dc.subjectLateritic soilseng
dc.subjectBimodal structureeng
dc.subjectCurva característica solo-águapor
dc.subjectResistência não saturadapor
dc.subjectFunções de pedotransferênciapor
dc.subjectModelos de previsãopor
dc.subjectSolos lateríticospor
dc.subjectEstrutura bimodalpor
dc.subject.cnpqENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::ENGENHARIA TERMICA::CONTROLE AMBIENTAL
dc.titleInterpretation and Prediction of the Hydromechanical Behavior of Unsaturated Soils in Tropical Regions
dc.title.alternativeInterpretação e previsão do comportamento hidromecânico de solos não-saturados em regiões tropicaispor
dc.typeTese

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