Relação entre características microestruturais e o comportamento macroscópico de solos granulares

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Geotecnia, 2016.O entendimento do comportamento dos solos, comumente, tem sido interpretado com base na mecânica do meio contínuo. Para isso, modelos constitutivos fenomenológicos devem ser formulados, a fim de representar o comportamento dos materiais em escala macroscópica, sem considerar a influência de fatores tais como a forma, a distribuição granulométrica, a quebra das partículas etc. Outra abordagem para esse problema é a mecânica dos meios descontínuos, a qual baseia-se na interação explícita dos elementos (partículas). Nesta abordagem é possível considerar diferentes caraterísticas na escala micro para a avaliação do comportamento de materiais granulares. Neste trabalho é estudada a influência de algumas caraterísticas em nível de partícula no comportamento de materiais granulares. São abordados, principalmente, os fenômenos de fragmentação de partículas e desestruturação de materiais cimentados. Para isto, foram executados ensaios de compressão confinada com esferas de vidro secas, com e sem cimentação artificial. Além disso, foi feito o monitoramento das emissões acústicas para compreender melhor os processos micromecânicos. Como complemento, foram registradas imagens microscópicas das partículas, úteis para as análises da evolução da forma do grão com o processo de quebra. Simulações numéricas simplificadas foram feitas com o objetivo de verificar a capacidade do Método dos Elementos Discretos reproduzir os fenômenos de quebra de partículas. Os resultados experimentais obtidos mostraram as mudanças de comportamentos de materiais granulares com e sem cimentação. Observou-se que o início da quebra das partículas ocorre para níveis de tensão elevados e não depende das condições iniciais de índice de vazios. Além disso, a evolução de quebra pode ser representada por vários índices propostos na literatura. Foram observados diferentes estágios de evolução da quebra de grãos e da cimentação, identificados com base em níveis de tensão e energia acústica acumulada emitida. Cada estágio pode ser delimitado por pontos de mudança, os quais estão relacionados com certos valores de índice de quebra e relação de aspecto.The overall behavior of soil has been commonly interpreted within the framework of continuum mechanics. Phenomenological constitutive models have been formulated to represent the observed behavior at the macroscopic scale, without taking into consideration the influence of important factors such as grain shape, grain size distribution and particle breakage. An alternative approach is provided by the discrete analysis, which is based on the explicit interactions between particles. Using this approach, it is possible to consider the influence of different grain characteristics on the behavior of granular materials. The research carried out in this thesis focuses on the phenomena of particle breakage and destructuration due to debonding. Strain controlled one-dimensional compression tests were carried out on glass spheres with and without artificial cementation. Acoustic emissions were monitored during these tests in order to gain further insight about the micromechanical processes. To complement the analyses, the fragmented glass spheres were subjected to laser scanning in order to evaluate the evolution of grain shape due to particle breakage. Simplified numerical simulations using the Discrete Element Method were performed in order to verify the effectiveness of this method to reproduce the phenomenon of particle breakage. The experimental results showed the gradual change of behavior of the material with and without cementation. It was observed that particle breakage takes place at relative high stress levels, and does not depend on the initial void ratio of the package. Furthermore, the evolution of this phenomenon can be represented using most of the particle breakage indices proposed in the literature. Different stages of fragmentation and debonding were identified based on the evolution of stress and accumulated acoustic energy emission. These stages are associated with critical points, which should be related to changes in breakage indices and aspect ratio