Análise experimental e numérica do processo de ressecamento e fissuramento de solos expansivos com inclusão de elementos rígidos

FACEPEO comportamento dos solos argilosos expansivos é um grande desafio para a Engenharia Civil, pois, ao longo do ano, com as estações de seca e chuva, quando submetidos a chuvas esses solos aumentam de volume, e quando submetidos a estiagens, esses solos retraem, e diante desse comportamento, as obras de engenharia sofrem danos. Esse trabalho investigou a formação e a propagação de fissuras em solos expansivos para viabilizar a previsão do comportamento geomecânico desses solos através de análises de correlação de imagens digitais (DIC) e da simulação numérica em elementos finitos. Foi realizado o ensaio de ressecamento com a argila expansiva Romainville em laboratório, no qual buscou-se investigar a influência de inclusões rígidas randomicamente distribuídas no corpo da amostra com a presença de bases com diferente aderência da amostra. Durante o ensaio, foram capturadas imagens das amostras a cada 10 minutos por uma câmera. De posse dessas imagens, foi realizada a correlação de digital de imagens (DIC) através do programa Ncorr do MATLAB para apresentar a possibilidade de previsão da iniciação e da propagação das fissuras na superfície do solo, inclusive antes da iniciação de fissuras. Com o intuito de apresentar uma metodologia numérica para a investigação desse comportamento de ressecamento, foi realizada uma modelagem numérica em elementos finitos para representar o fissuramento de uma argila expansiva. Foi utilizado o modelo constitutivo elastoplástico Barcelona Basic Model (BBM), juntamente com o modelo de Dano à tração, para representar o mecanismo de formação e propagação das fissuras na superfície dos materiais, inseridos através da Técnica de Elementos Finitos de Alta Razão de Aspecto. Com isso foi possível investigar, numericamente, o comportamento de fissuração um solo expansivo frente a inclusão de elementos rígidos com a mesma configuração geométrica do ensaio experimental realizado. Esse trabalho permitiu observar que a presença de elementos rígidos nos solos argilosos expansivos influenciou fortemente a formação e a propagação de fissuras. A presença dessas estruturas fez com que fissuras fossem iniciadas próximo a esses elementos rígidos, apresentando uma tendência de conectar esses elementos, quando da presença de 3 ou mais dessas estruturas. Foi observado que aumento no número de elementos rígidos aumentou o número de fissuras nas amostras, enquanto que o aumento no seu diâmetro reduziu o número de fissuras, mas aumentaram a abertura das fissuras. Observou-se, também, que o atrito do solo com a base também influenciou a formação de fissuras, de maneira que quanto maior o atrito, maior o número de fissuras. A simulação numérica se mostrou eficiente para representar esse comportamento de fissuramento em argilas expansivas. Foi observada, através da comparação entre a simulação numérica e o experimento, uma tendência comum de formação de fissuras próximo às inclusões, com tendências similares de propagação entre inclusões.The behavior of expansive clayey soils is a major challenge for Civil Engineering. Due to rainy and dry seasons these soil increase and decrease in volume, respectively, and this process can leads to shrinking development on the surface of this soil, causing damage to Civil Engineering constructions. This work investigated the formation and propagation of the crack in expansive soils aiming to support the prediction of its geomechanical behavior through Digital Image Correlation (DIC) analysis and finite element numerical simulation. A drying test with the Romainville expansive clay was performed in the laboratory to investigate the influence of randomly distributed rigid inclusions within the sample with the presence of two different bases. During the test, pictures were captured every 10 minutes by a camera. With these images, DIC analysis was performed through the Ncorr program to present the possibility of predicting the initiation and propagation of cracks on the soil surface, even before the initiation of cracks. To present a numerical methodology for the expansive clay shrinking investigation, numerical modeling was performed using the finite element method. The Barcelona Basic Model (BBM) elastoplastic constitutive model and the Tensile Damage constitutive model were used to represent the mechanism of formation and propagation of cracks in the surface of the soil, coupled with the High Aspect Ratio Finite Element Technique. This work showed that this methodology can investigate numerically the cracking behavior of expansive soil, and it allowed to analyze the influence of rigid elements against cracks network. It was observed that the presence of rigid elements in the expansive clayey soil strongly influenced the formation and propagation of cracks. The presence of rigid elements leaded cracks to initiate beside them, and it was observed a tendency of cracks linking inclusions when there were 3 or more of them. It was observed that the higher the number of rigid elements the greater the number of cracks formed, while the higher the diameter of the inclusion the lower the number of cracks, however, the crack opening increased. It was also observed that the friction of the soil on the base also influenced the pattern of the crack, increasing its number. Finally, the numerical simulation showed to be efficient to represent the cracking behavior in expansive clays, and through the comparison between both the numerical simulation and the experiment, a common tendency of cracks formation was observed, with similar propagation tendencies