Modelling of the hydromechanical behaviour of unsaturated swelling soils

Abstract

Os solos expansivos são materiais compostos principalmente por minerais ativos, como a montmorilonita, que tendem a sofrer alterações volumétricas devido à migração do teor de umidade. Diferentes práticas de engenharia geotécnica, como o projeto de um núcleo de barragem ou a compactação do solo, requerem uma análise minuciosa e previsão do fenômeno de expansão sob condições transientes não saturadas. O principal problema na avaliação da resposta mecânica deste tipo de solo reside na natureza não linear da maioria das propriedades não saturadas, o que requer ferramentas sofisticadas que incluem parâmetros de difícil obtenção. Este estudo realiza uma análise matemática para entender o comportamento hidromecânico de solos expansivos sob fluxo transiente não saturado. A implementação de dois modelos matemáticos baseados na equação Richards (1931) com um acoplamento simplificado é aplicada para avaliar a abordagem. Com base em resultados experimentais obtidos em ensaios de grandes colunas, explora-se o comportamento do modelo resultante em diferentes condições de sucção e conteudo volumetrico d’água. Quatro casos de soluções analíticas são estabelecidos para construir uma estrutura de resposta específica do modelo, cada um com suposições restritivas adaptadas a uma condição inicial e duas condições de contorno. Neste caso, as previsões hidromecânicas em fluxo não saturado são ajustadas considerando as variações do índice de vazios ao longo do processo de expansão, para dar conta do impacto das deformações volumétricas nos parâmetros do modelo. Por fim, uma calibração paramétrica com resultados da literatura é realizada para avaliar a sensibilidade paramétrica e a faixa de variação volumétrica na qual o modelo está restrito. Os resultados indicam uma grande proximidade estatística entre a estimativa numérica e os dados experimentais, com fatores de correlação superiores a 97%, tanto nas trajetórias de umedecimento quanto de secagem da curva de índice de vazios versus log de sucção. Da mesma forma, as previsões das soluções analíticas para os casos 1 e 3 são consistentes para cada parâmetro analisado e funcionam para Curvas de Retenção de Água unimodais e bimodais.