Micromechanical analysis of cohesive granular materials using the discrete element method with an adhesive elasto-plastic contact model

An adhesive elasto-plastic contact model for the discrete element method with three dimensional non-spherical particles is proposed and investigated to achieve quantitative prediction of cohesive powder flowability. Simulations have been performed for uniaxial consolidation followed by unconfined compression to failure using this model. The model has been shown to be capable of predicting the experimental flow function (unconfined compressive strength vs. the prior consolidation stress) for a limestone powder which has been selected as a reference solid in the Europe wide PARDEM research network. Contact plasticity in the model is shown to affect the flowability significantly and is thus essential for producing satisfactory computations of the behaviour of a cohesive granular material. The model predicts a linear relationship between a normalized unconfined compressive strength and the product of coordination number and solid fraction. This linear relationship is in line with the Rumpf model for the tensile strength of particulate agglomerate. Even when the contact adhesion is forced to remain constant, the increasing unconfined strength arising from stress consolidation is still predicted, which has its origin in the contact plasticity leading to microstructural evolution of the coordination number. The filled porosity is predicted to increase as the contact adhesion increases. Under confined compression, the porosity reduces more gradually for the load-dependent adhesion compared to constant adhesion. It was found that the contribution of adhesive force to the limiting friction has a significant effect on the bulk unconfined strength. The results provide new insights and propose a micromechanical based measure for characterising the strength and flowability of cohesive granular materials. 

Using geotechnical and LIDAR spatial monitoring to determine key environmental slope instability thresholds of a Jurassic coastal landslide: Straidkilly Point, Northern Ireland, UK.

The Antrim Coast Road stretching from the seaport of Larne in the East of Northern Ireland to the famous Giant’s Causeway in the North has a well-deserved reputation for being one of the most spectacular roads in Europe (Day, 2006). At various locations along the route, fluid interactions between the problematic geology, Jurassic Lias Clay and Triassic Mudstone overlain by Cretaceous Limestone and Tertiary Basalt, and environmental variables result in frequent instances of slope instability within the vadose zone. During such instances of instability, debris flows and composite mudflows encroach on the carriageway posing a hazard to road users. This paper examines the site investigative, geotechnical and spatial analysis techniques currently being implemented to monitor slope stability for one site at Straidkilly Point, Glenarm, Northern Ireland. An in-depth understanding of the geology was obtained via boreholes, resistivity surveys and laboratory testing. Environmental variables recorded by an on-site weather station were correlated with measured pore water pressure and soil moisture infiltration dynamic data.
Terrestrial LiDAR (TLS) was applied to the slope for the monitoring of failures, with surveys carried out on a bi-monthly basis. TLS monitoring allowed for the generation of Digital Elevation Models (DEMs) of difference, highlighting areas of recent movement, erosion and deposition. Morphology parameters were generated from the DEMs and include slope, curvature and multiple measures of roughness. Changes in the structure of the slope coupled with morphological parameters are characterised and linked to progressive failures from the temporal monitoring. In addition to TLS monitoring, Aerial LiDARi datasets were used for the spatio-morphological characterisation of the slope on a macro scale. Results from the geotechnical and environmental monitoring were compared with spatial data obtained through Terrestrial and Airborne LiDAR, providing a multi-faceted approach to slope stability characterization, which facilitates more informed management of geotechnical risk by the Northern Ireland Roads Service.

Geotechnical monitoring using a combination of LIDAR, real-time dGPS, and electrical tomography to assess geotechnical risk of a coastal landslide.

The Antrim Coast Road stretching from the seaport of Larne in the East of Northern Ireland has a well-deserved reputation for being one of the most spectacular roads in Europe (Day, 2006). However the problematic geology; Jurassic Lias Clay and Triassic Mudstone overlain by Cretaceous Limestone and Tertiary Basalt, and environmental variables result in frequent instances of slope instability manifested in both shallow debris flows and occasional massive rotational movements, creating a geotechnical risk to this highway. This paper describes how a variety of techniques are being used to both assess instability and monitor movement of these active slopes near one site at Straidkilly Point, Glenarm. An in-depth understanding of the geology was obtained via boreholes, resistivity surveys and laboratory testing. Environmental variables recorded by an on-site weather station were correlated with measured pore water pressure and soil moisture infiltration data. Terrestrial LiDAR (TLS), with surveys carried out on a bi-monthly basis allowed for the generation of Digital Elevation Models (DEMs) of difference, highlighting areas of recent movement, accumulation and depletion. Morphology parameters were generated from the DEMs and include slope, curvature and multiple measures of roughness. Changes in the structure of the slope coupled with morphological parameters were characterised and linked to progressive failures from the temporal monitoring. In addition to TLS monitoring, Aerial LiDAR datasets were used for the spatio-morphological characterisation of the slope on a macro scale. A Differential Global Positioning System (dGPS) was also deployed on site to provide a real-time warning system for gross movements, which were also correlated with environmental conditions. Frequent electrical resistivity tomography (ERT) surveys were also implemented to provide a better understanding of long-term changes in soil moisture and help to define the complex geology. The paper describes how the data obtained via a diverse range of methods has been combined to facilitate a more informed management regime of geotechnical risk by the Northern Ireland Roads Service.

Magnitude, form and bioavailability of fluvial carbon exports from Irish organic soils under pasture

Organic soils are widespread in Ireland and vulnerable to degradation via drainage for agriculture. The soil-landuse combination of pasture on organic soils may play a disproportionate role in regional C dynamics but is yet to receive study. Fluvial C fluxes and labile organic fractions were determined for two such sites at nested field (c.4 ha) and subcatchment scales (>40 ha); one relatively dry and nutrient rich, the other wetter and nutrient poor. Field scale flux from the nutrient poor site over 2 years was 38.9 ± 6.6 g C m⁻² yr⁻¹ with DIC > DOC > POC at 57, 32 and 11 % respectively, and 72 % DIC was comprised of above equilibrium CO₂. At the nutrient rich site, which overlies limestone geology, field scale export over an individual year was 90.4 g C m⁻² with DIC > DOC > POC at 49, 42 and 9 %, but with 90 % DIC as bicarbonate. By comparison with the nutrient poor site, the magnitude and composition of inorganic C exports from the nutrient rich site implied considerable export of soil-respiratory C as bicarbonate, and lower evasion losses due to carbonate system buffering. Labile DOC determined using dark incubations indicated small fractions (5–10 %) available for remineralisation over typical downstream transit times of days to weeks. These fractions are probably conservative as photolysis in the environment can increase the proportion of labile compounds via photocleavage and directly remineralise organic matter. This study demonstrates that monitoring at soil–water interfaces can aid capture of total landscape fluvial fluxes by precluding the need to incorporate prior C evasion, although rapid runoff responses at field scales can necessitate high resolution flow proportional, and hydrograph sampling to constrain uncertainty of flux estimates.

Modelling the fresh properties of self-compacting concrete using support vector machine approach

The main objective of the study presented in this paper was to investigate the feasibility using support vector machines (SVM) for the prediction of the fresh properties of self-compacting concrete. The radial basis function (RBF) and polynomial kernels were used to predict these properties as a function of the content of mix components. The fresh properties were assessed with the slump flow, T50, T60, V-funnel time, Orimet time, and blocking ratio (L-box). The retention of these tests was also measured at 30 and 60 min after adding the first water. The water dosage varied from 188 to 208 L/m3, the dosage of superplasticiser (SP) from 3.8 to 5.8 kg/m3, and the volume of coarse aggregates from 220 to 360 L/m3. In total, twenty mixes were used to measure the fresh state properties with different mixture compositions. RBF kernel was more accurate compared to polynomial kernel based support vector machines with a root mean square error (RMSE) of 26.9 (correlation coefficient of R2 = 0.974) for slump flow prediction, a RMSE of 0.55 (R2 = 0.910) for T50 (s) prediction, a RMSE of 1.71 (R2 = 0.812) for T60 (s) prediction, a RMSE of 0.1517 (R2 = 0.990) for V-funnel time prediction, a RMSE of 3.99 (R2 = 0.976) for Orimet time prediction, and a RMSE of 0.042 (R2 = 0.988) for L-box ratio prediction, respectively. A sensitivity analysis was performed to evaluate the effects of the dosage of cement and limestone powder, the water content, the volumes of coarse aggregate and sand, the dosage of SP and the testing time on the predicted test responses. The analysis indicates that the proposed SVM RBF model can gain a high precision, which provides an alternative method for predicting the fresh properties of SCC.

Upper palaeozoic stratigraphy and palynology of OMZ, NW and SW Portugal

Neste trabalho descreve-se e interpreta-se a estratigrafia e palinologia de rochas sedimentares e metassedimentos de idade devónica e carbónica aflorantes ao longo da zona de cisalhamento Porto-Tomar, a Sul na Bacia de Santa Susana e em vários locais onde afloram os Calcários de Odivelas. Existe um registo de sedimentação descontínuo possivelmente associado a esta zona de cisalhamento desde o Devónico Superior até ao Pennsylvaniano. Desde o Devónico Superior até ao Mississippiano esta sedimentação é marinha, de carácter essencialmente turbiditico com uma tendência geral para se tornar mais proximal. A maturação térmica atingida por estas rochas (Unidade de Albergaria-a-Velha) é alta e a unidade é considerada pós-madura em termos de potencial gerador de hidrocarbonetos. O metamorfismo incipiente é acompanhado por intensa deformação. A bacia do Buçaco é inteiramente terrestre e tem a sua idade restrita ao Gjeliano (Pennsylvaniano superior). O controlo da sedimentação pela actividade da zona de cisalhamento Porto-Tomar é evidente. A sua maturação térmica é relativamente baixa (dentro da catagénese) e a deformação menos intensa, contrastando com a Unidade de Albergaria-a-Velha com a qual parece ter uma relação geométrica complexa, de origem tectónica. As relações de campo e dados da maturação térmica permitem inferir um evento térmico e de deformação à escala regional entre o Serpukoviano e o Gjeliano e outro, essencialmente de deformação, entre o Gjeliano e o Carniano (Triássico Superior). A bacia de Santa Susana tem características semelhantes à do Buçaco, visto estar enquadrada também numa zona de cisalhamento importante que neste caso separa a Zona de Ossa-Morena da Zona Sul Portuguesa. A sua idade é kasimoviana, possivelmente também moscoviana (Pennsylvaniano médio). A evolução térmica da bacia e a relação estrutural com as unidades circundantes permite inferir um evento térmico e de deformação regionalmente importante entre o Viseano e o (?)Moscoviano-Kasimoviano. O estudo detalhado de vários locais onde afloram os Calcários de Odivelas permite desenhar uma paleogeografia regional durante o intervalo Emsiano terminal-Givetiano (fim do Devónico Inferior – Devónico Médio) para o sector Oeste da Zona de Ossa-Morena: Actividade vulcânica em regime marinho (e talvez subaéreo), formando edifícios vulcânicos no topo dos quais (e possivelmente também em altos fundos estruturais) se instalaram recifes, tendo a comunidade recifal, em termos de diversidade, persistido durante todo ou grande parte deste intervalo de tempo. O evento Choteč basal é observável num destes locais.

Metais em águas e sedimentos da plataforma dos Açores

A presente tese tem por objetivo principal contribuir para o conhecimento da geoquímica sedimentar da zona oceânica da crista da Terceira e montanhas submarinas a sul (região entre 29-39ºN e 27-32ºW), integrando também a caraterização dos metais e nutrientes na coluna de água e propondo concentrações para servirem de referência nesta região do Atlântico Central. Para o efeito foram realizadas amostragens na coluna de água em sete locais e de sedimento em cinco locais, durante a campanha oceanográfica designada por EMEPC/AÇORES/G3/2007 a bordo do navio SV Kommandor Jack, no âmbito do projeto da Estrutura de Missão para a Extensão da Plataforma Continental (EMEPC). Os perfis de CTD da coluna de água na região estudada revelam a presença de massas de água distintas: a Western North Atlantic Central Water (WNACW), a Eastern North Atlantic Central Water tropical (ENACWt), a Eastern North Atlantic Central Water polar (ENACWp), a Mediterranean Overflow Water (MOW), a Deep Mediterranean Water (DMW) e a North Eastern Atlantic Deep Water (NEADW). Observou-se nos perfis de temperatura e salinidade, referentes aos primeiros 200 m da coluna de água, um gradiente meridional negativo entre as estações localizadas na crista da Terceira e as estações localizadas mais a sul. Observou-se nas águas superficiais valores de oxigénio dissolvido de 93% e de pH de 8,1, assim como que as concentrações dos nutrientes NOx, PO4 e SiO2 variam de acordo com a atividade biológica, tendo-se registado concentrações medianas mais baixas, respetivamente de 6,5, 0,23 e 1,3 mol L-1, que aumentam com a profundidade devido à ausência de produção primária (respetivamente 31, 1,4 e 22 mol L-1). As concentrações de NH4 e de SO4 não variam significativamente nas massas de água, sendo os valores medianos mínimos e máximos de 0,69 a 0,79 mol L-1 para o NH4 e de 30 a 32 mol L-1 para o SO4. São propostas concentrações de referência para as massas de água, para os elementos cobre, cádmio, chumbo e arsénio. Os perfis de sedimento analisados permitem distinguir os sedimentos na crista da Terceira (core A) dos restantes (cores B a E). A grande variabilidade textural encontrada no core A, que contrasta com os outros cores analisados, deve-se a importantes contribuições terrígenas, originadas pela erosão sub-aérea e pela atividade vulcânica das ilhas próximas. iv resumo (continuação) A análise mineralógica, efetuada à fração areia e à fração fina (< 63 μm), confirma que os sedimentos do core A derivam de rochas vulcânicas formadas maioritariamente por piroxenas, olivinas, anfíbolas, biotite, alterites e ainda calcite, plagióclase e magnetite, tendo-se identificado ao microscópio a glauconite e o vidro vulcânico. De acordo com a composição química destes minerais o core A apresenta valores mais elevados de Al, Fe, K, P, Mg, Si, Na, Zn, V, Cr e Mn relativamente aos cores B a E. Os cores B a E apresentam grandes quantidades de calcite (>80%) formada maioritariamente por foraminíferos e nanoplâncton calcário (cocolitóforos). A fração areia confirma a composição maioritariamente carbonatada com grande abundância de material biogénico formado por oozes de foraminíferos (planctónicos e bentónicos) com raras espículas de espongiários e restos de conchas. Os cores B a E apresentam valores muito mais elevados que o core A para os elementos Ca e Sr. Os resultados para o Al, Fe, K, P, Si, Na, As, Cu, Ni, Zn, V, Cr, Li, Pb, Cd e Co presentes nos locais B, C, D e E sugerem que estes cores são comparáveis aos sedimentos de fundo carbonatados. Propõe-se concentrações de referência para a região do Atlântico compreendida entre 29-39ºN e 27-32ºW considerando a primeira camada colhida em cada core. Para o core A as concentrações são normalizadas a 5% de Al e CaCO3, enquanto que para os cores B a E são normalizadas a 2% de Al e CaCO3. Assim as concentrações de referência para o core A são: As – 18 mg kg-1, Cr – 91 mg kg-1, Cu – 127 mg kg-1, Ni – 84 mg kg-1, Pb – 41 mg kg-1, Hg – 41 ng g-1 e Zn – 482 mg kg-1. Para os cores B a E as concentrações de referência são: As – 3 mg kg-1, Cr – 10 mg kg-1, Cu – 36 mg kg-1 Ni – 12 mg kg -1, Hg – 3 ng g-1 e Zn – 20 mg kg-1. Para os restantes metais as concentrações de referência para o core A são: Al – 9%, Si – 25%, Fe – 6%, Ca – 13%, K – 2%, Mg – 2%, Na – 3%, P – 0,4%, Sr – 900 mg kg-1, Li – 10 mg kg-1, Mn – 1200 mg kg-1, Ba – 700 mg kg-1 e V – 140 mg kg-1. Para os cores B a E as concentrações de referência são: Al – 0,9%, Si – 2%, Fe – 0,2%, Ca – 95%, K – 0,3%, Mg – 0,4%, Na – 0,3%, P – 0,04%, Sr – 2600 mg kg-1, Li – 5 mg kg-1, Mn – 240 mg kg-1, Ba – 345 mg kg-1, Co – 2 mg kg-1 e V – 6 mg kg-1. Os resultados da presente tese constituem um contributo para a caraterização geoquímica da região e podem servir de referência à monitorização futura do mar dos Açores e montes submarinos a sul.

Proposta de metodologia usando regressões lineares no cálculo dos efeitos vibratórios do rebentamento de explosivos

Este trabalho apresenta o estudo das leis de propagação das velocidades de vibração resultantes do uso de explosivo em diferentes maciços. Foram efectuados estudos para três tipos de maciços diferentes, granito, quartzito e calcário. Efectuaram-se campanhas de monitorização e registo dos dados em cada uma das situações. Caracterizando e utilizando duas leis de propagação de velocidades no maciço, a de Johnson e Langefors, calculou-se as suas variáveis por método estatístico de regressões lineares múltiplas. Com a obtenção das variáveis fizeram-se estudos de previsão dos valores de vibração a obter utilizando a carga explosiva aplicada nos desmontes. Através dos valores de vibração obtidos em cada pega de fogo para cada tipo de maciço comparou-se quais das duas leis apresentam o valor de velocidade de vibração menor desviado do real. Conforme ficou verificado neste estudo, a equação de Langefors garante uma mais-valia da sua aplicação na previsão das velocidades de vibração pois joga favoravelmente a nível da segurança assim como apresenta um menor desvio face à equação de Johnson quando comparada com o valor real de vibração obtido. Com isto o método de utilização de regressões lineares múltiplas como cálculo dos efeitos vibratórios é extremamente vantajoso a nível de prevenção de danos e cálculo de velocidades de vibração inferiores ao imposto pela Norma.

Contribuição da fluorescência de Raios–X na avaliação e modelação de georrecursos

O presente estudo diz respeito a um trabalho de pesquisa no âmbito de uma Tese de Mestrado compreendida no segundo ciclo de estudos do curso de Engenharia Geotécnica e Geoambiente, realizado sobre a contribuição da Fluorescência de Raios – X (FRX) no Zonamento de Georrecursos, com particular ênfase para a utilização do instrumento portátil e de ferramentas tecnológicas de vanguarda, indispensáveis à prospecção e exploração dos recursos minerais, designadamente na interpretação e integração de dados de natureza geológica e na modelação de métodos de exploração e processamento /tratamento de depósitos minerais, assim como do respectivo controlo. Esta dissertação discute os aspectos fundamentais da utilização da técnica de Fluorescência de Raios-X (portátil, FRXP), quanto à sua possibilidade de aplicação e metodologia exigida, com vista à definição de zonas com características químicas análogas do georrecurso e que preencham as exigências especificadas para a utilização da matéria-prima, nas indústrias consumidoras. Foi elaborada uma campanha de recolha de amostras de calcário proveniente da pedreira do Sangardão, em Condeixa–a–Nova, que numa primeira fase teve como objectivo principal a identificação da composição química da área em estudo e o grau de precisão do aparelho portátil de FRX. Para além desta análise foram, também, realizadas análises granulométricas por peneiração e sedimentação por Raios-X a amostras provenientes das bacias de sedimentação e do material passado no filtro prensa. Validado o método de análise por FRXP, realizou-se uma segunda fase deste trabalho, que consistiu na elaboração de uma amostragem bastante significativa de pontos, onde se realizaram análises por FRXP, de forma a obter uma maior cobertura química da área em estudo e localizar os locais chave de exploração da matéria-prima. Para uma correcta leitura dos dados analisados recorreu-se a ferramentas aliadas às novas tecnologias, as quais se mostraram um importante contributo para uma boa gestão do georrecurso em avaliação, nomeadamente o “XLSTAT” e o “Surfer” para tratamento estatístico dos dados e modelação, respectivamente.

Argamassas e betões geopoliméricos: estado da arte e potencial de industrialização em Portugal

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil

Incorporação de resíduo da indústria petrolífera em argamassas de cal hidráulica para a reabilitação de edifícios

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil na Área de Especialização de Edificações

Revestimento de piso em pedra calcária: adequabilidade, patologia e manutenção

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil na Área de Especialização em Edificações

Caracterização física e química de fíleres para fabrico de misturas betuminosas

Mestrado em Engenharia Geotécnica e Geoambiente

Caracterización y determinación del proceso para la producción de cal comercial a partir de la piedra caliza

La cal es un material producido a partir de la calcinación de la roca caliza y tiene diversas utilidades en el mundo de la industria como la siderúrgica, papelera, alimentaria, en la construcción, entre otras. Es fundamental conocer todas las características de la caliza para poder determinar su grado de calcinación. Con el presente trabajo se pretende estudiar las propriedades de la caliza para su posterior calcinación y el dimensionamento de una planta de producción de cal desde que el mineral llega de la explotación hasta que sale al mercado.Para determinar los equipos se calularon sus dimensiones para una producción de 600 t/h de cal, sabiendo que la planta principal de machaquero solo trabajará 5 días de la semana en jornadas de 8 horas, mientras que a partir del horno de calcinación estará en funcionamento los 7 dias de la semana, 24 horas al día. A partir de esas consideraciones se obtienen las dimensiones de todos los equipos y se realiza un estudio para la elección de un horno, o un horno de eje vertical y un horno rotativo, así como el combustible empleado, ya que es una parte fundamental para determinar los costes para la producción de cal.Tmbién fue objeto de este trabajo, el estudio ambiental de la instalación de la planta, en función de la mezcla de combustible empleada y del impacto en el entorno de la lisma, así como un estudio de viabilidad de la planta, estimando unos costes de la misma y un precio de mercado "ex Works".

Proposta de modelo para obtenção do Work Index das rochas

Este trabalho pretende estabelecer uma relação entre o Work Index e algumas propriedades das rochas. Através da pesquisa bibliográfica foram identificadas varias propriedades com possível influência no valor do Work Index, das quais foram seleccionadas a massa volúmica aparente, a resistência à carga pontual, a composição química, a composição mineralógica e a abrasividade. Adicionalmente a porosidade aberta e resistência à compressão também foram analisadas. Assim foram analisadas 10 amostras de rocha, quatro de granitos, uma de quartzodiorito, uma de ardósia, uma de serpentinito, uma de calcário, uma de mármore e uma de sienito nefelínico, sobre as quais já eram conhecidos os valores de cinco das propriedades referidas previamente, tendo sido determinados os valores das ainda desconhecidas, resistência à carga pontual e a abrasividade que está representada através do resultado do ensaio capon. Devido à dificuldade de execução do ensaio de determinação do Work Index de Bond foram recolhidos dados bibliográficos de valores do Work Index para as amostras de rocha seleccionadas e adoptado o valor médio para cada uma. Os dados obtidos foram tratados estatisticamente através do método de análise de componentes principais assim como através de regressões lineares simples e múltiplas. A análise de componentes principais permitiu identificar várias propriedades da rocha com possível influência sobre o Work Index de entre as analisadas. Foi possível estabelecer uma relação entre o Work Index e quatro das propriedades seleccionadas, designadamente a porosidade aberta, a resistência à compressão, a resistência à carga pontual e a abrasividade.