(Table 1) Results from XRD analysis as well as sediment type and selected results from ring shear experiments

The location of the seaward tip of a subduction thrust controls material transfer at convergent plate margins, and hence global mass balances. At approximately half of those margins, the material of the subducting plate is completely underthrust so that no accretion or even subduction erosion takes place. Along the remaining margins, material is scraped off the subducting plate and added to the upper plate by frontal accretion. We here examine the physical properties of subducting sediments off Costa Rica and Nankai, type examples for an erosional and an accretionary margin, to investigate which parameters control the level where the frontal thrust cuts into the incoming sediment pile. A series of rotary-shear experiments to measure the frictional strength of the various lithologies entering the two subduction zones were carried out. Results include the following findings: (1) At Costa Rica, clay-rich strata at the top of the incoming succession have the lowest strength (µres = 0.19) while underlying calcareous ooze, chalk and diatomite are strong (up to µres = 0.43; µpeak = 0.56). Hence the entire sediment package is underthrust. (2) Off Japan, clay-rich deposits within the lower Shikoku Basin inventory are weakest (µres = 0.13-0.19) and favour the frontal proto-thrust to migrate into one particular horizon between sandy, competent turbidites below and ash-bearing mud above. (3) Taking in situ data and earlier geotechnical testing into account, it is suggested that mineralogical composition rather than pore-pressure defines the position of the frontal thrust, which locates in the weakest, clay mineral-rich (up to 85 wt.%) materials. (4) Smectite, the dominant clay mineral phase at either margin, shows rate strengthening and stable sliding in the frontal 50 km of the subduction thrust (0.0001-0.1 mm/s, 0.5-25 MPa effective normal stress). (5) Progressive illitization of smectite cannot explain seismogenesis, because illite-rich samples also show velocity strengthening at the conditions tested.

Slope stability analyses based on sediment cores of the Ligurian Margin, Southern France

Submarine slope failures of various types and sizes are common along the tectonic and seismically active Ligurian margin, northwestern Mediterranean Sea, primarily because of seismicity up to ~M6, rapid sediment deposition in the Var fluvial system, and steepness of the continental slope (average 11°). We present geophysical, sedimentological and geotechnical results of two distinct slides in water depth >1,500 m: one located on the flank of the Upper Var Valley called Western Slide (WS), another located at the base of continental slope called Eastern Slide (ES). WS is a superficial slide characterized by a slope angle of ~4.6° and shallow scar (~30 m) whereas ES is a deep-seated slide with a lower slope angle (~3°) and deep scar (~100 m). Both areas mainly comprise clayey silt with intermediate plasticity, low water content (30-75 %) and underconsolidation to strong overconsolidation. Upslope undeformed sediments have low undrained shear strength (0-20 kPa) increasing gradually with depth, whereas an abrupt increase in strength up to 200 kPa occurs at a depth of ~3.6 m in the headwall of WS and ~1.0 m in the headwall of ES. These boundaries are interpreted as earlier failure planes that have been covered by hemipelagite or talus from upslope after landslide emplacement. Infinite slope stability analyses indicate both sites are stable under static conditions; however, slope failure may occur in undrained earthquake condition. Peak earthquake acceleration from 0.09 g on WS and 0.12 g on ES, i.e. M5-5.3 earthquakes on the spot, would be required to induce slope instability. Different failure styles include rapid sedimentation on steep canyon flanks with undercutting causing superficial slides in the west and an earthquake on the adjacent Marcel fault to trigger a deep-seated slide in the east.

Innovative Solutions for Slope Stability Reinforcement and Characterization: Vol. I, TR-489, 2005

Soil slope instability concerning highway infrastructure is an ongoing problem in Iowa, as slope failures endanger public safety and continue to result in costly repair work. Characterization of slope failures is complicated, because the factors affecting slope stability can be difficult to discern and measure, particularly soil shear strength parameters. While in the past extensive research has been conducted on slope stability investigations and analysis, this research consists of field investigations addressing both the characterization and reinforcement of such slope failures. The current research focuses on applying an infrequently-used testing technique comprised of the Borehole Shear Test (BST). This in-situ test rapidly provides effective (i.e., drained) shear strength parameter values of soil. Using the BST device, fifteen Iowa slopes (fourteen failures and one proposed slope) were investigated and documented. Particular attention was paid to highly weathered shale and glacial till soil deposits, which have both been associated with slope failures in the southern Iowa drift region. Conventional laboratory tests including direct shear tests, triaxial compression tests, and ring shear tests were also performed on undisturbed and reconstituted soil samples to supplement BST results. The shear strength measurements were incorporated into complete evaluations of slope stability using both limit equilibrium and probabilistic analyses. The research methods and findings of these investigations are summarized in Volume 1 of this report. Research details of the independent characterization and reinforcement investigations are provided in Volumes 2 and 3, respectively. Combined, the field investigations offer guidance on identifying the factors that affect slope stability at a particular location and also on designing slope reinforcement using pile elements for cases where remedial measures are necessary. The research findings are expected to benefit civil and geotechnical engineers of government transportation agencies, consultants, and contractors dealing with slope stability, slope remediation, and geotechnical testing in Iowa.

Innovative Solutions for Slope Stability Reinforcement and Characterization: Vol. II, TR-489, 2005

Soil slope instability concerning highway infrastructure is an ongoing problem in Iowa, as slope failures endanger public safety and continue to result in costly repair work. While in the past extensive research has been conducted on slope stability investigations and analysis, this current research study consists of field investigations addressing both the characterization and reinforcement of such slope failures. While Volume I summarizes the research methods and findings of this study, Volume II provides procedural details for incorporating an infrequently-used testing technique, borehole shear tests, into practice. Fifteen slopes along Iowa highways were investigated, including thirteen slides (failed slopes), one unfailed slope, and one proposed embankment slope (the Sugar Creek Project). The slopes are mainly comprised of either clay shale or glacial till, and are generally gentle and of small scale, with slope angle ranging from 11 deg to 23 deg and height ranging from 6 to 23 m. Extensive field investigations and laboratory tests were performed for each slope. Field investigations included survey of slope geometry, borehole drilling, soil sampling, in-situ Borehole Shear Testing (BST) and ground water table measurement. Laboratory investigations mainly comprised of ring shear tests, soil basic property tests (grain size analysis and Atterberg limits test), mineralogy analyses, soil classifications, and natural water contents and density measurements on the representative soil samples from each slope. Extensive direct shear tests and a few triaxial compression tests and unconfined compression tests were also performed on undisturbed soil samples for the Sugar Creek Project. Based on the results of field and lab investigations, slope stability analysis was performed on each of the slopes to determine the possible factors resulting in the slope failures or to evaluate the potential slope instabilities using limit equilibrium methods. Deterministic slope analyses were performed for all the slopes. Probabilistic slope analysis and sensitivity study were also performed for the slope of the Sugar Creek Project. Results indicate that while the in-situ test rapidly provides effective shear strength parameters of soils, some training may be required for effective and appropriate use of the BST. Also, it is primarily intended to test cohesive soils and can produce erroneous results in gravelly soils. Additionally, the quality of boreholes affects test results, and disturbance to borehole walls should be minimized before test performance. A final limitation of widespread borehole shear testing may be its limited availability, as only about four to six test devices are currently being used in Iowa. Based on the data gathered in the field testing, reinforcement investigations are continued in Volume III.

Estudo do comportamento hidráulico e mecânico de materiais geotécnicos para barreiras horizontais impermeáveis

Este trabalho analisou o comportamento hidráulico e mecânico de novos materiais geotécnicos compósitos, tentando adequar suas características à utilização em barreiras horizontais impermeáveis, dando ênfase para liners de cobertura. A melhoria das propriedades das matrizes estudadas, que resultaram em novos materiais compósitos, foi avaliada através da adição de bentonita e fibras. O estudo consistiu em duas etapas: a avaliação do comportamento hidráulico e do comportamento mecânico dos compósitos. Na primeira etapa foram realizados ensaios de condutividade hidráulica em permeâmetro de parede flexível com carga constante, em amostras compactadas de solo residual de arenito Botucatu, cinza de fundo, areia e caulim, com adições de bentonita e fibras de polipropileno de 24mm. Dentre os materiais estudados, a cinza de fundo foi a única matriz que, mesmo com a adição de 18% de bentonita, não alcançou uma condutividade hidráulica inferior a 1x10-7m/s, exigida para liners de cobertura. Além disso, com o intuito de avaliar o efeito da inclusão da bentonita e da morfologia das partículas na condutividade hidráulica das misturas, principalmente para a cinza de fundo, foi feita uma análise fotomicrográfica do material em microscópio petrográfico Na segunda etapa do trabalho foi estudado o comportamento mecânico dos compósitos através de ensaios triaxiais de compressão isotrópica, ensaios triaxiais CID e CIU com trajetórias de tensão convencionais e especiais, bem como através de ensaios ring shear. Foi verificado que a adição de fibras aumenta os parâmetros de resistência ao cisalhamento (c, φ) e a resistência ao cisalhamento pós-pico dos compósitos, principalmente a baixas tensões efetivas médias iniciais e após grandes deformações. A análise conjunta dos resultados de condutividade hidráulica e do comportamento mecânico dos compósitos indica a existência de uma grande gama de materiais compósitos que podem ser utilizados como liners de cobertura: liners de areia com bentonita e areia com bentonita e fibras; liners de SRAB e SRAB com fibras e liners de caulim e caulim com fibras, sendo que o último pode ser utilizado também para resíduos perigosos ou em liners de fundo.

Investigação sobre a resistência ao cisalhamento de um solo residual de gnaisse

O solo residual de gnaisse estudado nesta dissertação ocupa uma grande área da cidade de Porto Alegre/RS e região metropolitana. Na região onde foi amostrado, encontrase hoje uma estrutura de contenção em solo grampeado. Rupturas durante a escavação ocasionaram a necessidade de redimensionamento da estrutura, o que na época foi realizado através de retro-análises de rupturas induzidas. Na ocasião a empresa responsável pela execução da obra retirou blocos indeformados de campo, para que posteriormente fossem determinadas as propriedades geomecânicas deste solo residual. O programa experimental desta dissertação envolveu: (a) ensaios de caracterização; (b) caracterização mineralógica através de difratometria de Raio-X, microscopia ótica e microscopia eletrônica;(c) determinação de parâmetros de resistência ao cisalhamento através de ensaios de cisalhamento direto e (d) determinação de parâmetros de resistência ao cisalhamento residual através de ensaios ring shear. Através dos ensaios de cisalhamento direto foi verificado que o intemperismo no local praticamente não apresenta influência nos parâmetros de resistência ao cisalhamento deste solo, pois ambas as profundidades de amostragem mantém a estrutura da rocha de origem. A resistência ao cisalhamento deste material é em grande parte comandada pela sua micro-estrutura, e principalmente pelo bandamento micáceo Em ambas profundidades foi verificada anisotropia de resistência ao cisalhamento, através de ensaios com a orientação de planos de xistosidade paralela e perpendicular à superfície de ruptura imposta pelo ensaio. Este comportamento demonstra a influência que a macro-estrutura herdada da rocha mãe tem sobre a resistência deste material. Os ensaios ring shear realizados neste material apresentaram ângulos de atrito interno residual baixos em relação ao que se espera de materiais predominantemente granulares como é o caso deste solo. Porém estes valores baixos podem ser atribuídos ao alto teor de mica existente.

Estudo geotécnico de dois taludes da formação serra geral, RS

Esta dissertação de mestrado apresenta um estudo sobre dois taludes coluvionares localizados na região nordeste do Rio Grande do Sul, inseridos no contexto geológico da Formação Serra Geral. Estes taludes apresentam características e comportamento geotécnico distintos. O objetivo desta dissertação é obter parâmetros de condutividade hidráulica e resistência ao cisalhamento dos solos presentes nos dois taludes, a fim de entender os diferentes processos de ruptura observados. Um dos taludes, denominado talude de Canastra, apresenta um processo de rastejo; este talude tem uma inclinação bastante suave e apresenta uma camada de colúvio sobre um solo residual de basalto vesicular. O talude de Canastra apresenta uma camada de transição entre o colúvio e o solo residual; os ensaios de condutividade hidráulica realizados em campo mostraram que esta camada é menos permeável do que o colúvio e o solo residual, formando uma camada quase impermeável e criando condições para a formação de dois níveis freáticos neste talude. Nos solos deste talude foi detectada a presença significante de argila expansiva (montmorilonita). O outro talude estudado, denominado de talude da rodovia RS470, apresentou uma ruptura abrupta após um período de intensa chuva. Este talude apresenta uma inclinação bastante íngreme e um solo coluvionar assente diretamente sobre basalto alterado. A condutividade hidráulica deste colúvio é bastante elevada. O colúvio apresenta pouca argila expansiva, sendo formado essencialmente por caulinita. Os ensaios ring shear, realizados para a obtenção de parâmetros de resistência ao cisalhamento residual nos solos dos dois taludes, apresentaram valores muito baixos de φr, inferiores a 10° Valores semelhantes foram encontrados por Pinheiro (2000) e Rigo (2000) em solos residuais de basalto da Formação Serra Geral. Foram realizadas simulações numéricas de fluxo d’água e de estabilidade destes taludes, na tentativa de verificar as condições em que aconteceram os escorregamentos.

Comportamento de solos reforçados com fibras submetidos a grandes deformações

O presente trabalho tem como objetivo estudar o comportamento de solos reforçados com fibras de polipropileno, submetidos a grandes deformações, que possuam características adequadas para o emprego em liners de cobertura de aterros sanitários e aterros sobre solos moles. O programa experimental consistiu na realização de ensaios triaxiais consolidados drenados com distintas trajetórias de tensões (compressão axial, descarregamento lateral e p’ constante) e isotrópicos com aplicação de altas tensões, em amostras de areia e areia-fibra, como também em ensaios de cisalhamento do tipo ring shear (executados nas matrizes de areia e bentonita, com e sem reforço fibroso) e provas de carga em placa de 0,30 m de diâmetro sobre espessas camadas de areia compactada, reforçada e não reforçada com fibras. Nesta pesquisa busca-se investigar o comportamento tensão-deformação de misturas reforçadas, os efeitos do comprimento, porcentagem, diâmetro e alongamento/ruptura das fibras, tensão de confinamento, granulometria do solo e densidade das misturas, nas propriedades mecânicas do material reforçado, bem como a influência da adição de fibras no comportamento carga-recalque e nos mecanismos de ruptura de uma areia reforçada. A análise global dos resultados permite identificar as alterações provocadas pela inclusão aleatória de fibras de polipropileno às matrizes estudadas. A adição de fibras influencia o comportamento compressivo da areia, aumenta os parâmetros de resistência ao cisalhamento de pico e pós-pico das matrizes estudadas após grandes deslocamentos horizontais, sem quedas significativas de resistência pós-pico no caso da matriz arenosa O desempenho das fibras no interior da massa de solo indica que estas sofrem deformações plásticas de tração, alongando-se em primeira instância, até atingirem a ruptura. O efeito da inclusão de fibras é mais evidente para baixas tensões efetivas médias iniciais, menores diâmetros, maiores comprimentos e maiores teores de fibras, sendo seu efeito mais pronunciado para misturas mais densas. O comportamento carga-recalque do solo arenoso é significativamente influenciado pela adição de fibras, aumentando a capacidade de suporte deste e alterando mecanismos de ruptura.