Continuous monitoring of deformability of stabilized soils based on modalidentification

Abstract

Soil stabilization with chemical binders is a technique that aims to improve the mechanical behaviour of soils in order to meet design requirements. In this context, the E-modulus is one of the most important properties for design of structures that involve stabilized soils. There has been a recent proposal of a technique termed as EMM-ARM (Elasticity Modulus Measurement through Ambient Response Method), which allows to continuously monitor the E-modulus evolution of cement-based materials. Such technique relies on placing the sample to be tested in a specific mould, under known support conditions, and apply modal identification techniques to infer the evolution of E-modulus of the tested material during cement hydration. It is remarked that before this PhD work, there had been a set of exploratory experiments using EMM-ARM applied to stabilized soils (made by the author of this thesis), which had pointed to the feasibility of this technique in the context of stabilized soils. This thesis presents a set of subsequent developments of the EMM-ARM technique applied to soils stabilized with binders. The validation of EMM-ARM was made by comparing the results obtained with different testing techniques, such as unconfined cyclic compression testing and techniques based on the propagation of mechanical waves. A sampler was developed to allow the collection of samples from stabilized layers, immediately after compaction, in order to increase the representativeness of the tested samples. The use of alternative materials and geometries of the EMM-ARM test mould, involving polyvinyl chloride (PVC) tubes, aimed the increase of robustness and to simplify its application on sampling operations. A variant approach to EMM-ARM was further proposed, involving modal identification with explicit excitation of small amplitude of the testing beam. This adaptation aimed to increase the robustness of the technique under conditions with contamination of the ambient noise. Moreover, EMMARM was systematically applied to three types of soils stabilized with three different proportions of cement. EMM-ARM was also applied to a soil stabilized with lime for the first time, including curing at distinct temperatures, revealing an interesting Emodulus evolution with two phases and allowing to estimate apparent activation energies of the reactions involved. The final part of the thesis presents a methodology based on Bayesian inference to predict the E-modulus results at the reference age of 28 days, using the results obtained during the first 2 to 7 days of age.

A técnica de estabilização de solos com ligantes visa o melhoramento do comportamento mecânico dos solos de modo a cumprirem os requisitos de construção a que são destinados. Do ponto de vista do dimensionamento das estruturas que utilizam solos estabilizados, a deformabilidade é considerada uma das propriedades mais relevantes. Recentemente foi proposta uma técnica designada por EMM-ARM (Elasticity Modulus Measurement through Ambient Response Method) que permite a monitorização contínua do módulo de elasticidade através de técnicas de identificação modal de misturas contendo materiais cimentícios desde o estado fresco, após devida colocação de amostra em molde específico. Refira-se que anteriormente a este trabalho de doutoramento, apenas havia sido feito um conjunto de ensaios preliminares EMMARM (pelo autor desta tese) que demonstraram o potencial de aplicabilidade desta técnica ao estudo de solos estabilizados. Esta tese apresenta um conjunto de desenvolvimentos subsequentes da técnica EMM-ARM aplicada a solos estabilizados com ligantes. A validação de EMM-ARM efetuou-se através da comparação de resultados obtidos com diferentes técnicas de ensaio, tais como ensaios compressão uniaxial cíclica e metodologias baseadas em propagação de ondas mecânicas. Foi desenvolvido um amostrador que permite a obtenção de amostras de camadas estabilizadas, imediatamente após compactação, de modo a aumentar a representatividade das amostras ensaiadas. A utilização de materiais e geometrias alternativas para o molde de ensaio EMM-ARM, compreendendo tubos em cloreto de polivinilo (PVC), teve em vista um aumento da robustez do molde e facilitar a sua aplicação na recolha de amostras. É também proposta uma técnica de ensaio, que pode ser considerada uma variante a EMM-ARM, que envolve identificação modal com excitação explícita de pequena amplitude da viga de ensaio. Com esta metodologia, pretende-se aumentar a robustez da técnica perante contaminações do ruido ambiente. Adicionalmente, são apresentados os resultados de aplicação sistemática da técnica EMM-ARM a três tipos de solos estabilizados com três diferentes percentagens de cimento. Pela primeira vez são apresentados resultados da aplicação de EMM-ARM a um solo estabilizado com cal, incluindo a cura a distintas temperaturas, revelando uma interessante evolução do módulo de elasticidade em duas fases e permitindo estimar as energias de ativação aparente das reações envolvidas. No final da tese é apresentada uma metodologia baseada em inerência Bayesiana para previsão de resultados de módulo de elasticidade à idade de referência de 28 dias, com base em resultados obtidos com EMM-ARM nos primeiros 2 a 7 dias de idade.