京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第22759号 / 工博第4758号 / 新制||工||1744(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科都市社会工学専攻 / (主査)教授 三村 衛, 教授 渦岡 良介, 准教授 肥後 陽介 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

[pt] Mudanças das propriedades dos solos devido à ação de carregamentos dinâmicos são responsáveis por danos significativos em geo-estruturas, tais como: barragens, estruturas de concentração, fundações, taludes, etc. A ocorrência do fenômeno da liquefação, em materiais suscetíveis como areias fofas saturadas, representa um tipo de resposta desastrosa de solos. O termo liquefação tem sido empregado para descrever uma variedade de fenômenos no qual tem em comum o desenvolvimento de altas poropressões em materiais saturados sem coesão devido a carregamentos monotônicos , transientes ou ciclios. A previsão da liquefação depende de uma adequada análise do comportamento não-drenado do material, em termos do incremento de poropressões e da perda da rigidez da mistura sólido-fluido, durante e após o período de movimento. O estabelecimento das equações governantes é essencial para elaboração de um modelo matemático realista para descrever o comportamento físico deste fenômeno. As equações a srem consideradas são: equação de movimento da fase sólida, a equação do movimento da mistura sólido-fluido , a equação de continuidade da fase fluida, as equações de acoplamento das fases e as equações constitutivas desses materiais. Nesta tese a resposta dinâmica do solo foi investigada numericamente mediante a técnica dos elementos finitos. A discretização espacial das equações governantes foi feita através de método de Galerkin e a discretização temporal pelo método de Newmark Generalizado. Um modelo constitutivo elasto-plástico foi considerado para descrever o comportamento mecânico da fase sólida, desenvolvido a partir de conceitos da generealização da teoria da plasticidade, que apresenta algumas vantagens em relação aos outros modelos baseados na teoria da plasticidade clássica. A implementação computacional foi escrito em fortran 90. Exemplos numéricos analisados nesta tese comprovam tanto a eficiência do modelo constitutivo na predição do comportamento do solo sobre liquefação como a confiabilidade do programa computacional elaborado nesta pesquisa, em termos da rapidez de processamento e da boa precisão dos resultados, quando comparados com soluções analíticas e outros valores numéricos obtidos por vários autores e diferentes modelos constitutivos. / [en] Changes in soil properties due to the action of dynamic loads are responsible for significant damage of geo-structures such as dams, retaining structures,building foundations, slopes, etc. The occurrence of liquefaction phenomena in susceptible materials, such as loose saturated, represents a type of disastrous response of soil, the term liquefaction has been used to refer to a group of phenomena wich have in common the development of high pore pressures in saturated cohesionless mterial due to monotonic, transient, or cyclic loads. The prediction of soil liquefaction depends of an adequate analysis of the behavior of undrained materials, in terms of increase of pore water pressure and weakening of the solid-fluid mixture, during and after the periodic motion. The establishment of the governing equations is essential to provide a realistic mathematical model to describe the physical behavior of this phenomenon. The system of equations to be considered are: the equilibrium equation of the solid phase, the equilibrium equation of the solid-fluid mixture, the conservation mass of the fluid phase, the coupling equation of phases, and the conservation equations of materials. In this thesis the soil dynamic response was numerically investigated by the finite element method. To obtain the spatial discretization in time was the Generalized Newmark method. An elastic-plastic constitutive model was used to describe the mechanical behavior of the solid phase. This model was developed in the framework of the generalized theory of plasticity, wich has some advantages when compared with other models based on the classical plasticity theory. The computacional implementation was written in fortran 90. Numerical examples considered in this thesis demonstrate the efficiency of the constitutive model to simulated the predicted behavior of soil under liquefaction as well as the reliability of the software developed in this research, in terms of computational effort and good accuracy of the results, when compared with some analytical solutions and other numerical values obtained by various authors and different constitutive models.

[pt] O estudo do comportamento de solos sob carregamento sísmico é de grande importância para o projeto de geoestruturas situadas em regiões de alta atividade sísmica, como nos países andinos ao longo da borda da placa tectônica sul-americana. No Brasil, localizado no interior desta placa, onde eventos sísmicos são menos frequentes e de menor magnitude, um projeto dísmico detalhado é necessário para algumas obras de engenharia de alta importância como centrais nucleares. O objetivo principal desta dissertação é investigar o comportamento sísmico de geoestruturas, descrevendo e discutindo os vários pontos que devem ser cuidadosamente considerados pelos projetistas sob ponto de vista da engenharia geotécnica. Em particular, o comportamento de um cais para submarinos nucleares, projetado para ser construído no litoral do estado do Rio de Janeiro - Brasil, é analisado considerando aspectos relacionados com o potencial de liquefação dinâmica e a resposta sísmica dos solos em termos de histórias de aceleração, espectros de resposta e deslocamentos permanentes. O modelo constitutivo UBCSAND foi usado para representar a resposta de liquefação de areais saturas sob carregamento cíclico e alguns programs computationais (FLAC, SHAKE2000) foram empregados para calcular as respostas esperadas das geoestruturas. / [en] The study of the soil behaviour under seismic loading is of great importance for the design of geostructures situated in regions of high seismic activity such as in the Andean countries along the border of the South American tectonic plate. In Brazil, situated in the interior of this plate, where seismic events are less frequent and of the smaller magnitude, a detailed seismic design is necessary for some engineering works of high importance such as nuclear power plants. The main objective of this thesis is to investigate the seismic behaviour of geostructures, describing and discussing the several points that should be carefully considered by the designers under the geotechnical engineering standpoint. In particular, the behavior of a nuclear wharf planned to be built on the seashore of the state of Rio de Janeiro - Brazil, is analyzed considering aspects related to the potential of dynamic soil liquefaction and the seismic response of soils in terms of accelerations histories, response spectra and permanent displacements. The UBCSAND constitutive model was used to represent the liquefaction response of saturated sands under cyclic loading and some computational programs (FLAC, SHAKE2000) were used in order to calculate the expected response of the geostrucures.

[pt] O Peru se localiza na região denominada cinturão de fogo do Pacífico, onde se registra aproximadamente 85 porcento da atividade sísmica mundial. Como grande produtor de minérios, importantes estruturas são construídas no país para desenvolvimento de projetos de mineração, incluindo barragens de rejeitos. Nesta dissertação é investigado o potencial de liquefação dinâmica de uma barragem de rejeitos localizada na região central do Peru, que atualmente passa por uma etapa de alteamento pelo método construtivo da linha de centro. A liquefação dos solos é um fenômeno caracterizado pela perda de rigidez e resistência durante curto intervalo de tempo, mas suficiente para causar instabilidades e, em casos extremos, o colapso da estrutura. Análises numéricas foram realizadas para verificar o potencial de liquefação dinâmica da barragem, representando o comportamento cíclico dos materiais suscetíveis à liquefação pelo modelo constitutivo UBCSand e de Byrne, considerando terremotos de magnitude 8,2, 7,8 e 8,1. Resultados numéricos obtidos foram comparados com formulações simplificadas, utilizadas na prática de engenharia para determinação do fator de segurança contra liquefação dinâmica. As análises indicaram que rejeitos finos, abaixo do nível de lençol freático, apresentam potencial de liquefação, conforme valores do parâmetro de razão de poropressão (ru) computados, porém sem provocar risco à estabilidade geral da estrutura. São também apresentados resultados de deslocamentos permanentes em alguns pontos da barragem e dos rejeitos. / [en] Peru is located in the region called the Pacific fire belt, where approximately 85 percent of the world seismic activity is recorded. As a major ore producer, important structures are built in the country to develop mining projects, including tailings dam. The dissertation investigates the potential for dynamic liquefaction of a tailings dam located in the central region of Peru, whose height is currently being raised by the center line construction method. Liquefaction of soils is a phenomenon characterized by loss of stiffness and resistance over a short period of time, but sufficient to cause instability and, in extreme cases, the collapse of the structure. Numerical analyses were carried out to verify the dynamic liquefaction potential of the dam, representing the cyclical behavior of the materials susceptible to liquefaction by the constitutive model UBCSand and Byrne, considering an earthquakes of magnitude 8,2, 7,8 and 8,1. Numerical results obtained were compared with simplified formulations used in the practice of engineering in order to determine the safety factor against dynamic liquefaction. The analyses indicated that fine tailings, below the water table level, have potential for liquefaction, according to the values of the poropression parameter (ru) computed, but without risk to the general stability of the structure. Results are also presented in terms of permanent displacements at some points of the dam and tailings.

[pt] O Peru está localizado em uma área de alta atividade sísmica conhecida como cinturão de fogo. Os terremotos registrados com diferentes mecanismos de falha resultam da interação entre as placas tectônicas de Nazca e Sul-americana. É nesta região onde acontecem atividades de mineração no país, juntamente com a construção de grandes estruturas civis, como barragens de rejeitos, projetadas para armazenar grande quantidade de material na menor área possível. Neste trabalho, foi avaliado o comportamento sísmico de uma barragem de rejeitos localizada em Arequipa, Peru, construída com o método a montante. Em evento sísmico ocorrido em 2013, a barragem sofreu trincas no seu corpo, recalques na crista e pequenos vulcões de areia, indicando a redução dos parâmetros de resistência no rejeito devido a possível fenômeno de liquefação. Nesta pesquisa, a estimativa da ameaça sísmica foi feita por métodos probabilísticos, com o terremoto artificial de projeto obtido por método de ajuste espectral. Foram feitas análises pseudo-estáticas de estabilidade dos taludes, bem como estimados deslocamentos permanentes e o potencial de liquefação dinâmica por métodos simplificados. A análise global da barragem de rejeitos foi executada pelo método dos elementos finitos, considerando o modelo constituivo UBC3D-PLM para simular o comportamento mecânico dos rejeitos sob carregamento cíclico. / [en] Peru is located in an area of high seismic activity known as the fire belt. Earthquakes recorded with different failure mechanisms result from the interaction between the Nazca and South-American tectonic plates. It is in this region where mining activities take place in the country, along with the construction of large civil structures, such as tailings dams, designed to store large amounts of material in the smallest possible area. In this work, the seismic behavior of a tailings dam located in Arequipa, Peru, built with the upstream method, was evaluated. In a seismic event that occurred in 2013, the dam suffered cracks in its body, settlement in the crest and small sand boils, indicating the reduction of the tailings resistance parameters due to possible dynamic liquefaction. In this research, the seismic hazard assessment was made by probabilistic methods, with the artificial design earthquake obtained by the spectral adjustment method. Pseudo-static analyzes of slope stability were performed, as well as the estimated permanent displacements and the potential of dynamic liquefaction were obtainded by simplified methods. The global seismic analysis of the tailings dam was carried out through the finite element method, considering the UBC3D-PLM constitutive model to simulate the mechanical behavior of tailings under cyclic loading.

[pt] O fenômeno de liquefação continua sendo um dos temas mais importantes, complexos e controversos da engenharia geotécnica, sendo a liquefação dinâmica, causada por terremotos, o maior contribuinte de risco sísmico urbano em vários países andinos. O movimento causa incrementos da poropressão que reduz a tensão efetiva e conseqüentemente a resistência ao cisalhamento de solos arenosos. O presente trabalho de pesquisa apresenta e compara algumas das metodologias existentes para a avaliação do fenômeno de liquefação dinâmica, variando desde o método semi-empírico de Seed-Idriss para estimativas do potencial de liquefação até a execução de algumas análises numéricas, no contexto dinâmico, através do programa computacional FLAC 2D v.5. Um estudo de caso, para uma comparação dos diversos procedimentos, consiste na análise dinâmica de uma pilha de lixiviação de minério de cobre, situada em região de atividade sísmica no Peru que, devido a problemas no sistema de drenagem interna, resultou com um alto nível de saturação que poderia colocar sua estabilidade em risco devido à possibilidade de liquefação sob carregamento sísmico. Dos resultados obtidos nessas análises, pode-se afirmar que o método semi-empírico de Seed-Idriss, para determinação do potencial de liquefação, compara-se bastante bem com modelos mais sofisticados baseados em análises dinâmicas empregando tanto o modelo constitutivo de Finn quanto o modelo constitutivo elastoplástico UBCSAND. / [en] The phenomenon of liquefaction is still one of the most important, complex and controversial subjects of the geotechnical engineering, being the dynamic liquefaction, caused by earthquakes, the major contributor to urban seismic risks in several Andesian countries. The shaking increases the pore water pressure which reduces the soil effective stress and, therefore, the shear strength of sandy soils. This dissertation presents and compares some of the proposed methodologies to evaluate the phenomenon of dynamic liquefaction, ranging from the semi-empirical method of Seed-Idriss to estimate the liquefaction potential to the execution of some numerical analyses, within the dynamic context, through the computational program FLAC 2D v.5. The case study, for the comparison among the several procedures, consists of a copper ore heap leach, situated in a high seismic activity zone in Peru, that experimented high levels of saturation, due to problems in the internal drainage system, that could put in risk the stability of the leach pad to the possibility of liquefaction under seismic loading. From the results of such analyses, one can say that the semi-empirical method proposed by Seed- Idriss for the determination of the liquefaction potential compares quite well with outputs from more sophisticated numerical analyses based on dynamic studies that incorporate either the Finn s or the elasto-plastic UBCSAND constitutive models.