Geotechnical and structural behavior of the railroad track in large-scale apparatus

This paper analyses the static and dynamic behavior of the railroad track model in laboratory. Measurements of stresses and strains on a large-scale railroad track apparatus were studied. The model includes: compacted soil, representing the final layers of platform, ballast layer, and ties (steel, wooden, and pre-stressed concrete). The soil and soil ballast interface were instrumented with pneumatic stress gauge. Settlement measurement device were positioned at the same levels as the load cells. Loads were applied by hydraulic actuators, statically and dynamically. After the prescribed number of load cycles, in pre-determined intervals, stresses and strains were measured. Observations indicate that stress and strain distributions, transmitted by wooden or steel ties, behave similarly. A more favorable behavior was observed with pre-stressed concrete mono block ties. Non-linear response was observed after a threshold numbers of cycles were surpassed, showing that the strain modulus increases with the numbers of cycles. © 2009 IOS Press.

Blast design using measurement while drilling parameters

Measurement while drilling (MWD) techniques can provide a useful tool to aid drill and blast engineers in open cut mining. By avoiding time consuming tasks such as scan-lines and rock sample collection for laboratory tests, MWD techniques can not only save time but also improve the reliability of the blast design by providing the drill and blast engineer with the information specially tailored for use. While most mines use a standard blast pattern and charge per blasthole, based on a single rock factor for the entire bench or blast region, information derived from the MWD parameters can improve the blast design by providing more accurate rock properties for each individual blasthole. From this, decisions can be made on the most appropriate type and amount of explosive charge to place in a per blasthole or to optimise the inter-hole timing detonation time of different decks and blastholes. Where real-time calculations are feasible, the system could extend the present blast design even be used to determine the placement of subsequent holes towards a more appropriate blasthole pattern design like asymmetrical blasting.

Asymmetric blasting: a rock mass dependent blast design method

Blasting has been the most frequently used method for rock breakage since black powder was first used to fragment rocks, more than two hundred years ago. This paper is an attempt to reassess standard design techniques used in blasting by providing an alternative approach to blast design. The new approach has been termed asymmetric blasting. Based on providing real time rock recognition through the capacity of measurement while drilling (MWD) techniques, asymmetric blasting is an approach to deal with rock properties as they occur in nature, i.e., randomly and asymmetrically spatially distributed. It is well accepted that performance of basic mining operations, such as excavation and crushing rely on a broken rock mass which has been pre conditioned by the blast. By pre-conditioned we mean well fragmented, sufficiently loose and with adequate muckpile profile. These muckpile characteristics affect loading and hauling [1]. The influence of blasting does not end there. Under the Mine to Mill paradigm, blasting has a significant leverage on downstream operations such as crushing and milling. There is a body of evidence that blasting affects mineral liberation [2]. Thus, the importance of blasting has increased from simply fragmenting and loosing the rock mass, to a broader role that encompasses many aspects of mining, which affects the cost of the end product. A new approach is proposed in this paper which facilitates this trend 'to treat non-homogeneous media (rock mass) in a non-homogeneous manner (an asymmetrical pattern) in order to achieve an optimal result (in terms of muckpile size distribution).' It is postulated there are no logical reasons (besides the current lack of means to infer rock mass properties in the blind zones of the bench and onsite precedents) for drilling a regular blast pattern over a rock mass that is inherently heterogeneous. Real and theoretical examples of such a method are presented.

Critical comparison of Julius Kruttschnitt Mineral Research Centre (JKMRC) blast fragmentation models

Blast fragmentation can have a significant impact on the profitability of a mine. An optimum run of mine (ROM) size distribution is required to maximise the performance of downstream processes. If this fragmentation size distribution can be modelled and controlled, the operation will have made a significant advancement towards improving its performance. Blast fragmentation modelling is an important step in Mine to Mill™ optimisation. It allows the estimation of blast fragmentation distributions for a number of different rock mass, blast geometry, and explosive parameters. These distributions can then be modelled in downstream mining and milling processes to determine the optimum blast design. When a blast hole is detonated rock breakage occurs in two different stress regions - compressive and tensile. In the-first region, compressive stress waves form a 'crushed zone' directly adjacent to the blast hole. The second region, termed the 'cracked zone', occurs outside the crush one. The widely used Kuz-Ram model does not recognise these two blast regions. In the Kuz-Ram model the mean fragment size from the blast is approximated and is then used to estimate the remaining size distribution. Experience has shown that this model predicts the coarse end reasonably accurately, but it can significantly underestimate the amount of fines generated. As part of the Australian Mineral Industries Research Association (AMIRA) P483A Mine to Mill™ project, the Two-Component Model (TCM) and Crush Zone Model (CZM), developed by the Julius Kruttschnitt Mineral Research Centre (JKMRC), were compared and evaluated to measured ROM fragmentation distributions. An important criteria for this comparison was the variation of model results from measured ROM in the-fine to intermediate section (1-100 mm) of the fragmentation curve. This region of the distribution is important for Mine to Mill™ optimisation. The comparison of modelled and Split ROM fragmentation distributions has been conducted in harder ores (UCS greater than 80 MPa). Further work involves modelling softer ores. The comparisons will be continued with future site surveys to increase confidence in the comparison of the CZM and TCM to Split results. Stochastic fragmentation modelling will then be conducted to take into account variation of input parameters. A window of possible fragmentation distributions can be compared to those obtained by Split . Following this work, an improved fragmentation model will be developed in response to these findings.

Estudo da resistência não drenada de solo de baixa consistência por meio de ensaios de campo e laboratório

A variabilidade natural dos solos torna complexo o conhecimento de suas propriedades na elaboração de projetos geotécnicos, sendo a determinação da resistência ao cisalhamento não drenada um parâmetro importante nas análises de estabilidade de solos moles. Os ensaios de laboratório de cone e palheta, não convencionais, os ensaios de campo de palheta e piezocone e os ensaios de compressão simples e triaxial não adensado e não drenado foram utilizados para mensurar a resistência não drenada de uma camada de argila marinha mole localizada na planície costeira central brasileira. Os ensaios de laboratório foram realizados em amostras indeformadas coletadas com amostradores de pistão estacionário em vertical próxima à realização dos ensaios de campo. O sítio foi investigado preliminarmente por sondagens de simples reconhecimento, sendo apresentado o perfil estratigráfico por meio de modelagem computacional. Foram também realizados ensaios para caracterização física (análise granulométrica, teor de umidade, limites de liquidez e plasticidade, densidade real dos grãos) e mineralógica (difração de raios X), e ensaios de adensamento para obtenção do histórico de tensões e classificação de qualidade das amostras indeformadas. Os valores de resistência não drenada obtidos pelos ensaios de laboratório foram comparados ao perfil contínuo de resistência determinado empiricamente pelo ensaio de piezocone, com fator de cone Nkt calibrado pelo ensaio de palheta de campo, apresentando boa concordância, com a variabilidade natural do solo influenciando de forma preponderante a qualidade das amostras na variação entre os resultados. Os valores de resistência obtidos pelos ensaios de laboratório de cone e palheta foram comparados entre si, apresentando boa compatibilidade. Ambos, quando comparados ao ensaio de palheta de campo, não apresentaram boa concordância. Os resultados de resistência obtidos pelos ensaios de compressão simples e triaxial apresentaram boa compatibilidade com os resultados do ensaio de laboratório de cone, o que não ocorreu com os resultados do ensaio de laboratório de palheta. Na comparação entre a resistência normalizada pela tensão de sobreadensamento obtida pelos diversos métodos e algumas correlações empíricas da literatura internacional, foi observado para as amostras de solo com índice de plasticidade superior a 60% boa concordância com as correlações de Mesri (1975) e Jamiolkowski et al (1985). Os ensaios não convencionais apresentaram boa confiabilidade, que aliado a simplicidade e agilidade de execução, justificam a difusão destes na prática da investigação geotécnica brasileira como método alternativo para complementar e dar suporte às estimativas de resistência não drenada de solos moles.

Gestão e monitorização de uma rede departamental: um caso de estudo

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Ensaios geomecânicos em rochas metassedimentares do maciço da Mina das Aveleiras (Mosteiro de Tibães): comparação, potencialidades e limitações

Mestrado em Engenharia Geotécnica e Geoambiente

Contribuição para o conhecimento das propriedades pozolânicas da fracção fina resultante da produção de areia de origem granítica

O presente estudo diz respeito a um trabalho de pesquisa no âmbito de uma Tese de Mestrado incluída no segundo ciclo de estudos do curso de Engenharia Geotécnica e Geoambiente, realizado sobre as condições de desidroxilação para a obtenção de metacaulino com propriedades cimentíceas, a partir da fracção argilosa proveniente dos finos residuais da produção de areias de natureza granítica. O produto resultante da alteração e desintegração dos feldspatos constituintes dos granitos são ricos em caulinite. Na natureza e em particular no Norte de Portugal, existem significativos depósitos cauliníticos com características potenciadoras para a produção de metacaulino. O metacaulino utilizado neste estudo foi obtido de uma amostra de argila submetida a 750oC, por um período de tempo de 30 minutos, processo que permitiu a desidroxilação quase total da matéria-prima, transformando esta numa fase amorfa e irreversível, com propriedades pozolânicas. Os metacaulinos, também conhecidos por geopolímeros, são produtos de fácil produção utilizando uma matéria-prima abundante e proporcionam a obtenção de novos produtos que permitem a substituição parcial do cimento Portland normal na composição das pastas de betão, com vantagens significativas no comportamento mecânico e na resistência aos agentes atmosféricos. Neste estudo são apresentados os resultados dos ensaios de caracterização da matéria-prima, das condições de calcinação e do produto resultante da desidroxilação, nomeadamente a determinação da pozolanicidade e das características fundamentais para a aplicabilidade do produto. No âmbito da especialidade de Georrecursos, consideramos que este trabalho está perfeitamente adequado, já que, para além do estudo para o conhecimento das propriedades da matéria-prima, foi possível, através das alterações introduzidas com o tratamento térmico, obter um novo produto, cuja utilização terá importantes reflexos na sustentabilidade dos recursos naturais e sua utilização.

Estudo geotécnico dos solos do vale do Leça no âmbito de uma obra de requalificação portuária

A expansão da área ocupada pelo Porto de Leixões (Matosinhos e Leça da Palmeira), sobre solos muito compressíveis, de origem fluvial e marinha, leva a que seja necessário recorrer à engenharia para encontrar soluções adequadas à utilização de obras dos fins em vista. Assim, na zona do porto são muitos os projectos de engenharia civil/geotécnica executados nestes solos. Como exemplo, podem citar-se a Consolidação do Terrapleno e Construção dos Caminhos de Rolamento do Terminal de Contentores TC4S, a Reabilitação de um troço com 110m, do Cais Sul e do Cais Nascente da Doca nº 4 e a Construção da Portaria Principal do Porto de Leixões, todos no vale fóssil do rio Leça. São vastos os métodos a usar para o melhoramento destes solos, a colocação de colunas de brita, com o objectivo de reforçar o solo, aumentando a sua capacidade de carga e funcionando como drenos verticais, para solucionar o problema das deformações excessivas durante e após o final da obra, uma alternativa consiste em induzir a aceleração da consolidação da camada de solo mole, o uso de pré-carregamento e drenos verticais são usuais. Quando o tempo de concretização da obra exige que o aterro seja utilizado de imediato, uma solução viável é a colocação de estacas, que transferem o peso do aterro, ou parte dele, para camadas mais competentes. Também se pode proceder à retirada do solo original e substituí-lo por outro de qualidade superior. A mais recente técnica de melhoria de solos por injecção - jet grouting - é utilizada em diversas situações, incluindo obras provisórias e definitivas. O presente trabalho visa descrever, em função dos diversos factores, o comportamento do solo face aos vários métodos utilizados e os objectivos pretendidos que serão abordados no enquadramento empírico do trabalho.

Instrumentação e monitorização de estruturas geotécnicas na Rede Ferroviária Nacional: estudo de caso do talude de aterro entre os Km's 236+450 e 236+720 da Linha do Sul

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil na Área de Vias de Comunicação e Transportes

Classificações geomecânicas mineiras para o dimensionamento de maciços rochosos: o aplicativo MGC-RocDesign|Calc

Este trabalho tem como objetivo destacar a importância da utilização de software de geoengenharia no estudo das classificações de maciços rochosos nas engenharias de minas e geotécnica. Esta investigação pretendeu demonstrar a importância das classificações geomecânicas e índices geológico‐geomecânicos, tais como a Rock Mass Rating (RMR), Rock Tunnelling Quality Index (Q‐system), Surface Rock Classification (SRC), Rock Quality Designation (RQD), Geological Strength Index (GSI) and Hydro‐Potential Value (HP). Para esse efeito foi criada e desenvolvida uma calculadora geomecânica – MGC‐RocDesign|CALC: ‘Mining Geomechanics Classification systems for rock engineering design (version beta)’ – para de certa forma tornar mais simples, rápido e preciso o estudo das classificações geomecânicas sem que seja necessário recorrer manualmente às fastidiosas tabelas das classificações. A MGC‐RocDesign|CALC foi criada e desenvolvida no programa de folha de cálculo Microsoft Excel™ em linguagem Visual Basic for Applications© proporcionando o ambiente de carregamento de dados mais apelativos para o utilizador. Foi ainda integrada neste aplicativo a Calculadora Geotech|CalcTools que resulta da fusão das bases de dados ScanGeoData|BGD e SchmidtData|UCS criadas por Fonseca et al. (2010). Toda a informação foi integrada numa base de dados dinâmica associada a uma plataforma cartográfica em Sistemas de Informação Geográfica. Apresenta‐se como caso de estudo um dos trechos subterrâneos do maciço rochoso da antiga mina de volfrâmio das Aveleiras/Tibães (Mosteiro de Tibães, Braga, NW de Portugal). Além disso, apresenta‐se uma proposta de zonamento geomecânico do maciço rochoso da antiga mina das Aveleiras/Tibães com o objetivo de apoiar o dimensionamento de maciços rochosos. Por fim, apresenta‐se uma reflexão em termos de aplicabilidade, das potencialidades e das limitações da Calculadora Geomecânica MGC‐RocDesign|CALC.

Using neural networks and support vector regression to relate marchetti dilatometer test parameters and maximum shear modulus

In the last two decades, small strain shear modulus became one of the most important geotechnical parameters to characterize soil stiffness. Finite element analysis have shown that in-situ stiffness of soils and rocks is much higher than what was previously thought and that stress-strain behaviour of these materials is non-linear in most cases with small strain levels, especially in the ground around retaining walls, foundations and tunnels, typically in the order of 10−2 to 10−4 of strain. Although the best approach to estimate shear modulus seems to be based in measuring seismic wave velocities, deriving the parameter through correlations with in-situ tests is usually considered very useful for design practice.The use of Neural Networks for modeling systems has been widespread, in particular within areas where the great amount of available data and the complexity of the systems keeps the problem very unfriendly to treat following traditional data analysis methodologies. In this work, the use of Neural Networks and Support Vector Regression is proposed to estimate small strain shear modulus for sedimentary soils from the basic or intermediate parameters derived from Marchetti Dilatometer Test. The results are discussed and compared with some of the most common available methodologies for this evaluation.

Using neural networks and support vector regression to relate marchetti dilatometer test parameters and maximum shear modulus

In the last two decades, small strain shear modulus became one of the most important geotechnical parameters to characterize soil stiffness. Finite element analysis have shown that in-situ stiffness of soils and rocks is much higher than what was previously thought and that stress-strain behaviour of these materials is non-linear in most cases with small strain levels, especially in the ground around retaining walls, foundations and tunnels, typically in the order of 10−2 to 10−4 of strain. Although the best approach to estimate shear modulus seems to be based in measuring seismic wave velocities, deriving the parameter through correlations with in-situ tests is usually considered very useful for design practice.The use of Neural Networks for modeling systems has been widespread, in particular within areas where the great amount of available data and the complexity of the systems keeps the problem very unfriendly to treat following traditional data analysis methodologies. In this work, the use of Neural Networks and Support Vector Regression is proposed to estimate small strain shear modulus for sedimentary soils from the basic or intermediate parameters derived from Marchetti Dilatometer Test. The results are discussed and compared with some of the most common available methodologies for this evaluation.

Assessment of the mechanical performance of recycled unbound materials for pavement subbase layers

The cyclic load triaxial test is a laboratory test that allows studying the mechanical behaviour of unbound granular materials used in base/subbase layers of road pavements. The resilient modulus and permanent strains are required as inputs in structural pavement design. This paper presents some results obtained for recycled materials (crushed concrete aggregate and blended crushed waste aggregate), with a view to promoting their use in pavement structures. Results relating to a reference material (limestone) are also presented, for comparison. All the test results discussed in this paper were obtained in variable cyclic radial pressure (VCP) tests. The tests performed (VCP) aim to study the influence of water content on the resilient modulus of recycled materials, as well as on the resistance to permanent deformation. Using the experimental data as a basis, further modelling work was carried out to establish the stresses developing in base/capping layers in typical Belgian road pavements. These numerical results allow to propose some simplifications of the stress paths applied in the testing procedures and to establish a new test protocol that also considers compaction during construction works. The results of this research work provide an excellent set of findings for the mechanical characterization of unbound base materials through the cyclic triaxial test, and contribute to a better understanding and correct application of recycled materials under geotechnical engineering background

Modelação numérica de túneis com consideração explícita das heterogeneidades do maciço

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Civil