Análise de pequenos modelos físicos e modelos numéricos em geotecnia: fundações superficiais e taludes de solo com e sem reforço

Abstract

Nesta dissertação analisou-se o reforço com geossintéticos de solos granulares sob fundações perto ou sobre a crista de taludes. Esta análise foi realizada com base em modelos de escala reduzida (1g) e modelos numéricos implementados em Plaxis 2D v22. A modelação foi realizada em três fases distintas, quer a nível de âmbito, quer temporal. Foi realizada uma primeira modelação numérica a fim de antever o comportamento dos modelos físicos. Seguiu-se uma fase de modelação física, onde foi analisado o comportamento tensão-deslocamento dos modelos (1g). Por fim foi realizada uma nova modelação numérica que visou validar/reproduzir os resultados obtidos/visualizados nos modelos físicos. Analisou-se a influência da profundidade da primeira camada de reforço e do número de camadas de reforço, tendo por referência o modelo em solo não reforçado. A introdução de uma camada de reforço aumentou a capacidade de carga de uma fundação perto ou sob um talude. Quando a camada foi colocada a 0,5B de profundidade, observou-se um aumento da capacidade de carga da fundação de 68%. No entanto, quando a camada foi colocada a 0,3B de profundidade, a capacidade de carga aumentou 61% e o modelo apresentou melhores resultados para o estado limite de serviço. A introdução de uma segunda camada de reforço permitiu melhorar o comportamento em estado limite último e serviço da fundação relativamente aos modelos reforçados com uma camada única. Nas fundações junto à crista de taludes podem ocorrer três mecanismos de rotura: rotura localizada da fundação, rotura parcial do talude e rotura do talude acompanhada de rotura por punçoamento da fundação. Os dois últimos mecanismos de rotura apenas ocorreram quando a fundação foi solicitada por cargas de elevada magnitude, que lhe impuseram grandes deslocamentos. A introdução do reforço, a profundidades adequadas (entre 0,3B e 0,5B), permite evitar a formação do último mecanismo de rotura.

In this dissertation the reinforcement of granular soils with geosynthetics under foundations near or on the crest of slopes was analysed. This analysis was carried out using reduced scale models (1g) and numerical models implemented in Plaxis 2D v22. The modelling process was carried out in three distinct phases, both in scope and time. A first numerical modelling was carried out in order to predict the behaviour of the physical models. This was followed by a physical modelling phase, where the stress-displacement behaviour of the models was analysed (1g). In the end a new numerical modelling was carried out to validate/reproduce the results obtained/visualised in the physical models. The influence of the depth of the first reinforcement layer and the number of reinforcement layers was analysed, with reference to the unreinforced model. The introduction of a reinforcement layer incresased the bearing capacity of a foundation near or under a slope. When the layer was placed at 0.5B depth, an of the fundation bearing capacity of 68% was observed. However, when the layer was placed at 0.3B depth, the bearing capacity increased by 61% and showed better results for the serviceability limit state. The introduction of a second reinforcement layer allowed to improve the ultimate limit sate and serviceability of the foundation compared to models reinforced with a single layer. Three failure mechanisms may occur in foundations near the crest of a slope: localised failure of the foundation, partial failure of the slope, and failure of the slope combined with punching failure of the foundation. The last two failure mechanisms only occurred when the foundation was subjected to high magnitude loads that imposed large displacements. The introduction of reinforcement, at adequate depths (between 0,3B and 0,5B), prevents the formatiom of the last failure mechanism.

In questa tesi è stato analizzato l’effetto di rinforzi con geosintetici in terreni di fondazione granulari in prossimità o sulla cresta di pendii. Le analisi sono state eseguite su modelli fisici in scala ridotta (1g) e convalidati mediante modelli numerici in Plaxis 2D v22. Il processo di modellazione si è svolto in tre fasi distinte, sia in termini temporali che di obiettivi. Inizialmente è stata effettuata una prima modellazione numerica per prevedere il comportamento dei modelli fisici. Successivamente si è passati alla modellazione fisica, in cui è stato analizzato il comportamento carico-spostamento dei modelli in scala ridotta. Infine, è stata eseguita una nuova modellazione numerica per convalidare/riprodurre i risultati ottenuti/visualizzati nei modelli fisici. Il contributo sul carico limite di fondazione e di stabilità del pendio sono stati analizzati al variare della profondità e del numero di strati di rinforzo rispetto al pendio non rinforzato. L’introduzione di uno strato di rinforzo in prossimità della fondazione aumenta la capacità portante della fondazione e le condizioni di sicurezza del pendio. Quando lo strato di geo-sintetico viene posizionato alla profondità di 0,5B (dove B è la base della fondazione), si osserva un aumento della capacità portante del 68% rispetto all’assenza di rinforzo. Tuttavia, quando lo strato di rinforzo viene posizionato a una profondità di 0,3B, il carico limite aumenta del 61 % e si ottengono migliori risultati in termini di stato limite di esercizio. L’introduzione di un secondo strato di rinforzo migliora sia lo stato limite ultimo che di esercizio rispetto ai modelli rinforzati con un solo strato. Quando l’opera di fondazione si trova in prossimità di un pendio si possono versificare tre meccanismi di rottura: una rottura localizzata della fondazione, una rottura parziale del pendio e un collasso del pendio accompagnato da un cedimento per punzonamento della fondazione. Dalle osservazioni sul modello fisico, si evince che gli ultimi due meccanismi di rottura si verificano solo quando la fondazione è soggetta a carichi di elevata intensità, che impongono grandi spostamenti. Inoltre, l’introduzione dei rinforzi ad appropriate profondità (tra 0,3B e 0,5B) consente di evitare la formazione dell’ultimo meccanismo di rottura.