O conhecimento de zonas potencialmente instáveis no fundo do mar é de fundamental importância para o desenvolvimento das estruturas marinhas, pois permite posicionar estruturas offshore em áreas mais seguras, reduzindo-se possíveis danos, custos e eventual poluição ambiental. Nesse contexto, o objetivo do presente trabalho é investigar, através de uma abordagem analítico-numérica, a estabilidade de maciços submarinos submetidos ao carregamento cíclico da onda. O efeito das ondas de água sobre o leito submerso é descrito pela propagação de uma onda de pressão ao longo de sua superfície, empregando-se a teoria linear de Stokes. São considerados maciços com superfície superior horizontal e inclinada, constituídos por material coesivo (argilas) e material granular (areias). Em maciços constituídos por solos finos, a capacidade resistente do material é modelada pelo critério de Tresca não-homogêneo e a análise da estabilidade é desenvolvida em condição não drenada. Por outro lado, em leitos granulares, a resistência do meio depende explicitamente do valor da poropressão, sendo descrita classicamente pelo critério de Coulomb sem coesão. A análise de estabilidade é então desenvolvida em tensões efetivas e o gradiente de poropressão atua como uma força volumétrica sobre o esqueleto, caracterizando o modo de carregamento principal deste material. Em razão da tendência a se densificar quando submetido a um estado de tensões desviadoras cíclicas, ocorre, em geral, a acumulação de excesso de poropressão no maciço granular. Consequentemente, o acoplamento entre o comportamento do material e o carregamento cíclico tem fundamental importância sobre o cálculo do excesso de poropressão desenvolvido. Para determinação das forças de percolação, considera-se uma abordagem simplificada baseada na partição das deformações em contribuições reversível e irreversível, que permite desacoplar o cálculo da pressão intersticial induzida pela onda. Aplicando-se conceitos da teoria da Análise Limite é possível formular limites inferiores e superiores da máxima amplitude segura do carregamento da onda. Finalmente, os efeitos da declividade da superfície do leito e da espessura de camada de solo sobre a estabilidade são analisados. / The knowledge of potentially unstable areas on the seabed is of fundamental importance to the development of marine structures, because it allows to install offshore structures in safer areas, reducing possible damages, costs and eventual environmental pollution. In this context, the objective of the present work is to investigate the stability of submarine soil masses subjected to the wave cyclic loading through analytical-numerical approaches. The effect of water waves on the submerged bed is described by the propagation of a pressure wave along its surface, using the Stokes’s linear theory. Soil masses with horizontal and sloped upper surface, composed of cohesive material (clays) and granular materiais (sands) are considered in this study. In soil masses constituted of fine soil, the material strength capacity is modeled by the non-homogeneous Tresca criterion and the stability analysis is carried out in undrained condition. On the other hand, in granular beds, the strength explicitly depends on the pore pressure value, being classically described by the Coulomb criterion without cohesion. Then, the stability analysis is developed in effective stress and the pore pressure gradient acts as a volumetric force on the skeleton, characterizing the main charging mode of this material. Due to the tendency to densify when subjected to a cyclic deviatoric stress state occurs, in general, the build-up of pore pressure excess in the granular mass. Consequently, the coupling between the material behavior and the cyclic loading has fundamental importance in the calculation of the pore pressure excess generated. In order to define the seepage forces, a simplified approach based on the partition of deformations in reversible and irreversible contributions is considered, which allows to decouple the wave-induced pore pressure calculation. Applying the concepts of the limit analysis theory it is possible to formulate upper and lower boundaries of the maximum safe amplitude of the wave loading. Finally, the effects of the seabed surface steepness and of the soil layer thickness on the stability are analyzed.

O conhecimento de zonas potencialmente instáveis no fundo do mar é de fundamental importância para o desenvolvimento das estruturas marinhas, pois permite posicionar estruturas offshore em áreas mais seguras, reduzindo-se possíveis danos, custos e eventual poluição ambiental. Nesse contexto, o objetivo do presente trabalho é investigar, através de uma abordagem analítico-numérica, a estabilidade de maciços submarinos submetidos ao carregamento cíclico da onda. O efeito das ondas de água sobre o leito submerso é descrito pela propagação de uma onda de pressão ao longo de sua superfície, empregando-se a teoria linear de Stokes. São considerados maciços com superfície superior horizontal e inclinada, constituídos por material coesivo (argilas) e material granular (areias). Em maciços constituídos por solos finos, a capacidade resistente do material é modelada pelo critério de Tresca não-homogêneo e a análise da estabilidade é desenvolvida em condição não drenada. Por outro lado, em leitos granulares, a resistência do meio depende explicitamente do valor da poropressão, sendo descrita classicamente pelo critério de Coulomb sem coesão. A análise de estabilidade é então desenvolvida em tensões efetivas e o gradiente de poropressão atua como uma força volumétrica sobre o esqueleto, caracterizando o modo de carregamento principal deste material. Em razão da tendência a se densificar quando submetido a um estado de tensões desviadoras cíclicas, ocorre, em geral, a acumulação de excesso de poropressão no maciço granular. Consequentemente, o acoplamento entre o comportamento do material e o carregamento cíclico tem fundamental importância sobre o cálculo do excesso de poropressão desenvolvido. Para determinação das forças de percolação, considera-se uma abordagem simplificada baseada na partição das deformações em contribuições reversível e irreversível, que permite desacoplar o cálculo da pressão intersticial induzida pela onda. Aplicando-se conceitos da teoria da Análise Limite é possível formular limites inferiores e superiores da máxima amplitude segura do carregamento da onda. Finalmente, os efeitos da declividade da superfície do leito e da espessura de camada de solo sobre a estabilidade são analisados. / The knowledge of potentially unstable areas on the seabed is of fundamental importance to the development of marine structures, because it allows to install offshore structures in safer areas, reducing possible damages, costs and eventual environmental pollution. In this context, the objective of the present work is to investigate the stability of submarine soil masses subjected to the wave cyclic loading through analytical-numerical approaches. The effect of water waves on the submerged bed is described by the propagation of a pressure wave along its surface, using the Stokes’s linear theory. Soil masses with horizontal and sloped upper surface, composed of cohesive material (clays) and granular materiais (sands) are considered in this study. In soil masses constituted of fine soil, the material strength capacity is modeled by the non-homogeneous Tresca criterion and the stability analysis is carried out in undrained condition. On the other hand, in granular beds, the strength explicitly depends on the pore pressure value, being classically described by the Coulomb criterion without cohesion. Then, the stability analysis is developed in effective stress and the pore pressure gradient acts as a volumetric force on the skeleton, characterizing the main charging mode of this material. Due to the tendency to densify when subjected to a cyclic deviatoric stress state occurs, in general, the build-up of pore pressure excess in the granular mass. Consequently, the coupling between the material behavior and the cyclic loading has fundamental importance in the calculation of the pore pressure excess generated. In order to define the seepage forces, a simplified approach based on the partition of deformations in reversible and irreversible contributions is considered, which allows to decouple the wave-induced pore pressure calculation. Applying the concepts of the limit analysis theory it is possible to formulate upper and lower boundaries of the maximum safe amplitude of the wave loading. Finally, the effects of the seabed surface steepness and of the soil layer thickness on the stability are analyzed.

O conhecimento de zonas potencialmente instáveis no fundo do mar é de fundamental importância para o desenvolvimento das estruturas marinhas, pois permite posicionar estruturas offshore em áreas mais seguras, reduzindo-se possíveis danos, custos e eventual poluição ambiental. Nesse contexto, o objetivo do presente trabalho é investigar, através de uma abordagem analítico-numérica, a estabilidade de maciços submarinos submetidos ao carregamento cíclico da onda. O efeito das ondas de água sobre o leito submerso é descrito pela propagação de uma onda de pressão ao longo de sua superfície, empregando-se a teoria linear de Stokes. São considerados maciços com superfície superior horizontal e inclinada, constituídos por material coesivo (argilas) e material granular (areias). Em maciços constituídos por solos finos, a capacidade resistente do material é modelada pelo critério de Tresca não-homogêneo e a análise da estabilidade é desenvolvida em condição não drenada. Por outro lado, em leitos granulares, a resistência do meio depende explicitamente do valor da poropressão, sendo descrita classicamente pelo critério de Coulomb sem coesão. A análise de estabilidade é então desenvolvida em tensões efetivas e o gradiente de poropressão atua como uma força volumétrica sobre o esqueleto, caracterizando o modo de carregamento principal deste material. Em razão da tendência a se densificar quando submetido a um estado de tensões desviadoras cíclicas, ocorre, em geral, a acumulação de excesso de poropressão no maciço granular. Consequentemente, o acoplamento entre o comportamento do material e o carregamento cíclico tem fundamental importância sobre o cálculo do excesso de poropressão desenvolvido. Para determinação das forças de percolação, considera-se uma abordagem simplificada baseada na partição das deformações em contribuições reversível e irreversível, que permite desacoplar o cálculo da pressão intersticial induzida pela onda. Aplicando-se conceitos da teoria da Análise Limite é possível formular limites inferiores e superiores da máxima amplitude segura do carregamento da onda. Finalmente, os efeitos da declividade da superfície do leito e da espessura de camada de solo sobre a estabilidade são analisados. / The knowledge of potentially unstable areas on the seabed is of fundamental importance to the development of marine structures, because it allows to install offshore structures in safer areas, reducing possible damages, costs and eventual environmental pollution. In this context, the objective of the present work is to investigate the stability of submarine soil masses subjected to the wave cyclic loading through analytical-numerical approaches. The effect of water waves on the submerged bed is described by the propagation of a pressure wave along its surface, using the Stokes’s linear theory. Soil masses with horizontal and sloped upper surface, composed of cohesive material (clays) and granular materiais (sands) are considered in this study. In soil masses constituted of fine soil, the material strength capacity is modeled by the non-homogeneous Tresca criterion and the stability analysis is carried out in undrained condition. On the other hand, in granular beds, the strength explicitly depends on the pore pressure value, being classically described by the Coulomb criterion without cohesion. Then, the stability analysis is developed in effective stress and the pore pressure gradient acts as a volumetric force on the skeleton, characterizing the main charging mode of this material. Due to the tendency to densify when subjected to a cyclic deviatoric stress state occurs, in general, the build-up of pore pressure excess in the granular mass. Consequently, the coupling between the material behavior and the cyclic loading has fundamental importance in the calculation of the pore pressure excess generated. In order to define the seepage forces, a simplified approach based on the partition of deformations in reversible and irreversible contributions is considered, which allows to decouple the wave-induced pore pressure calculation. Applying the concepts of the limit analysis theory it is possible to formulate upper and lower boundaries of the maximum safe amplitude of the wave loading. Finally, the effects of the seabed surface steepness and of the soil layer thickness on the stability are analyzed.

[pt] Neste trabalho são avaliadas as condições de estabilidade do subsolo marinho ao longo da rota de um duto rígido de aço revestido com concreto, de 10 de diâmetro, localizado na Bacia de Campos, RJ. Os dados geológicos e geotécnicos foram adquiridos a partir de um amplo levantamento geofísico e geotécnico realizado na diretriz do duto. Devido as adversidades à estabilidade do fundo marinho, várias análises vêm sendo realizadas de forma qualitativa e quantitativa. Atualmente, por questões ambientais e de segurança de obras de engenharia, busca-se uma avaliação mais quantitativa dos riscos geológicos associados à condição de estabilidade do fundo marinho, pois os escorregamentos de taludes representam o principal risco para estas estruturas. As análises de estabilidade foram feitas a partir da teoria do talude infinito, em metodologia aplicada por Nowacki et al. (2003) nos campos profundos de Mad Dog e Atlantis, no Golfo do México, e comparadas com os resultados encontrados a partir da formulação clássica do talude infinito. Uma integração de dados geotécnicos e geofísicos foi necessária, para que todos os parâmetros utilizados na metodologia pudessem ser obtidos. Os resultados indicaram dois pontos críticos ao longo da rota, ambos associados aos flancos do cânion Itapemirim, que apresentam gradientes altos. Foram realizados breves estudos com o objetivo de se avaliar a possibilidade de ocorrência de mecanismos disparadores (terremotos e ondas de tempestade) nesses pontos críticos mas os resultados descartaram esta possibilidade. Concluiu- se ainda que os dados geotécnicos utilizados neste trabalho não foram suficientes e de certo modo não apropriados para a análise de estabilidade de taludes. Uma nova campanha de ensaios geotécnicos de laboratório foi proposta para futuros estudos. / [en] This research analyses stability conditions of marine sediments superficial layers of along a 10 in. diameter pipeline s route, located at Campos Basin, RJ. The geological and geotechnical data were obtained during a wide geophysical and geotechnical survey along the pipeline`s route. Due to adversities to botton stability found in the marine environment, several qualitative and quantitative stability analysis have been made. Nowadays, because of environmental and safety issues, the researches are more focused on quantitative analysis of geohazards associated with the stability condition of the sea bottom, since slope slides represent the main risk for those structures. The stability analyses were based on the infinite slope theory. The methodology applied was the same used by Nowacki et al. (2003) at the deep fields of Mad Dog and Atlantis, in the Gulf of Mexico. The results were compared with the results from the classical formulation of the infinite slope. An integration of geotechnical and geophysical data was necessary, in order to obtain all the parameters used in the methodology. The results indicated two critical points along the route, both associated with the flanks of the Itapemirim Canyon, which have steep slopes. Brief studies were made to evaluate the importance of triggering mechanisms (earthquakes and storm waves) at these critical points but the results discard this possibility. It was also concluded that the geotechnical data used in this research were insufficient and in a certain way not appropriate for the slope stability analysis. A new geotechnical lab tests campaign was proposed for future studies.