[pt] Movimentos de terra em encostas frequentemente causam grandes prejuízos econômicos, ambientais, sociais e, com freqüência, perda de vidas humanas. O mecanismo que desencadeia o processo de movimentação geralmente ocorre em períodos de chuvas intensas, principalmente nas encostas com pouca cobertura vegetal ou naquelas que sofreram mudanças recentes na topografia, geralmente pela execução de cortes. Neste trabalho foram realizadas análises de estabilidade da um trecho da encosta da BR-376, que liga as cidades de Curitiba a Joinville no km 55+800 do oleoduto OSPAR da Transpetro. Em 1995, cortes executados para duplicação da rodovia provocaram instabilidade em certa área da encosta. Em janeiro de 1997, durante um período de fortes chuvas, um novo escorregamento da porção inferior do talude provocou a ruptura do muro existente e uma série de escorregamentos sucessivos, que chegaram a atingir a faixa dos oleodutos. Diante desse cenário, utilizou-se primeiramente o programa de elementos finitos PLAXIS para as análises de estabilidade e posteriormente, a fim de comparação, o programa Slope/W e Sigma/W. Para as análises no PLAXIS foi utilizado o hardening soil model para o solo, com os parâmetros sendo determinados através de ensaios triaxiais com amostras obtidas de dois blocos de solo coletados das encosta. Os efeitos da movimentação da encosta no oleoduto OSPAR foram analisados por programa 3D de elementos finitos, dando-se ênfase às tensões e deformações para se a fim de verificar a integridade do duto. / [en] In densely populated urban areas, landslides generally cause large economic, social and environmental damages as well as, quite frequently, the loss of human lives. The main triggering factor for soil slope failures is the occurrence of heavy rainfalls and the most affected slopes are those with little vegetal covering or that had suffered recent changes in topography, generally due to the execution of cuts and excavations. In this work, stability analyses of a soil slope located at km 55+800 of the Transpetro’s OSPAR oil pipeline were carried out In 1995, the works for the duplication of the BR-376 highway, connecting the cities of Curitiba and Joinville, caused some instability in certain area of the soil slope. Later, in January 1997, during a period of heavy rainfall, a new landslide near the slope toe provoked the failure of the existing retaining wall and triggered a series of successive slides that reached the protected area were the oil pipeline was buried. In order to better understand the mechanics involved in this process, numerical analyses were carried out using the computational programs Slope/W, Sigma/W and Plaxis v.8. The soil behavior was simulated considering the hard soil model, whose constitutive parameters were estimated from triaxial tests. The influence of soil movements on the OSPAR oil pipeline were investigated through a 3D finite element analysis, with emphasis on stress and strain distributions in order to check the pile line structural integrity.

[pt] São abordados alguns aspectos relativos à execução de análises probabilísticas em projetos de geotecnia. Apresenta-se um resumo dos conceitos de probabilidade e estatística, utilizados ao longo do trabalho. Descreve-se uma metodologia para a obtenção dos dados necessários à análise probabilística, incluindo a quantidade e a localização de amostras, o cálculo das médias e variâncias dos parâmetros do solo e a quantificação das incertezas relativas a estes valores. Apresenta-se o procedimento de execução dos três métodos probabilísticos mais utilizados em geotecnia com ênfase especial para o Método do Segundo Momento de Primeira Ordem. São executadas análises probabilísticas considerando, separadamente, variações de altura e inclinação de um talude de mineração sob condições drenadas. Avalia-se também a aplicação da metodologia de análise probabilística em situações não-drenadas, através da análise da estabilidade de um quebra-mar sobre argila mole. / [en] Some aspects about probabilistic analysis of stability in geotechnical engineering are studied in this thesis. A summary about basic concepts of probability and statistics used along this work is presented. The methodology for obtaining the data needed for probabilistic analysis is described, including quantity and localization of samples, computation of mean and variance of soil properties and determination of uncertainties about these values. The procedures of three probabilistic methods which are useful in geotechnics are presented, with special emphasis on the first order second moment method (FOSM). Probabilistic analysis are made considering independent changes of height and inclination of a mine slope under drained conditions. The application of probabilistic analysis of a breakwater above a soft clay deposit under undrained conditions is also presented. / [es] Se abordan algunos aspectos relativos a la ejecución de análisis probabilístico en proyectos de geotecnia. Se presenta un resumen de los conceptos de probabilidades y estadísticas, utilizados a lo largo del trabajo. Se describe una metodología para la obtención de los datos necesarios para el análisis probabilístico, incluyendo la cantidad y la localización de las muestras, el cálculo de las medias y variancias de los parámetros del suelo y la cuantificación de los errores relativos a estos valores. Se presenta el procedimientode ejecución de los tres métodos probabilísticos más utilizados en geotecnia con énfasis especial para el Método del Segundo Momento de Primer Orden. Se realizan análisis probabilísticos considerando, separadamente, variaciones de altura e inclinación de un talud de mineración en condiciones drenadas. También se evalúa la aplicación de la metodología de análisis probabilística en situaciones no-drenadas, a través de el análisis de la estabilidad de un quebra olas sobre arcilla blanda.

[pt] Na abordagem determinística compara-se o método do equilíbrio limite com o método dos elementos finitos na análise 2D da estabilidade de taludes em solo, determinando-se o valor do fator de segurança para vários exemplos de aplicação. No método dos elementos finitos quantifica-se a região da potencial superfície de ruptura que se comporta sob extensão, analisando-se a ocorrência de anisotropia de resistência ao longo da potencial superfície de deslizamento para situações envolvendo diferentes tipos de solo, ângulos de inclinação do talude e sequências de escavação. Conclui-se que o efeito da anisotropia é pouco significativo quando o ângulo de atrito do solo exceder a 10 graus. Por outro lado, devido à crescente aplicação da abordagem probabilística na prática da engenharia geotécnica, foram realizadas análises de confiabilidade de taludes empregando os métodos de Monte Carlo, do hipercubo latino e o método das estimativas pontuais alternativas, comparando-se os diferentes resultados obtidos e discutindo as principais vantagens da aplicação destes métodos. / [en] In the deterministic approach the limit equilibrium method and the finite element method are compared for 2D analysis of soil slope stability, calculating the value of the safety factor in several numerical examples. In the finite element method the region of soil under strain extension is determined and the occurrence of strength anisotropy is investigated along the potential sliding surface for situations involving different types of soil, angles of slope inclination and excavation sequences. It is concluded that the effect of the anisotropy is negligible when the angle of friction is higher than 10 degress. Moreover, due to the increasing application of the probabilistic approach in the practice of geotechnical engineering, some reliability analyses were carried out using the Monte Carlo method, the Latin hypercube method and the method of alternative point estimates, comparing their different outputs and discussing the main advantages of their application in the analysis of soil slope stability problems.

[pt] Esta dissertação tem como objetivo principal estudar um caso real do comportamento de taludes de grande altura em um projeto de mineração situado no Peru, em termos de deslocamentos e fatores de segurança, considerando uma escavação com uma profundidade que se aproxima de 900 m. As análises tensão x deformação foram executadas pelo método dos elementos finitos, em modelos bi e tridimensionais, considerando o modelo constitutivo de Mohr-Coulomb para os seis diferentes tipos de rocha encontrados na área do projeto. Também foram investigados os efeitos da geometria 3D em análises pseudo-estáticas, tendo em vista a mineração estar situada em região de atividade sísmica, bem como a distância da pilha de material estéril em relação à borda da escavação. De modo geral observou-se que os deslocamentos horizontais e o fator de segurança estático são maiores em analises 3D, enquanto que os deslocamentos verticais resultaram superiores nas análises 2D. Os efeitos da pilha de estéril nos valores do fator de segurança foram pouco significativos, mas a configuração da superfície potencial de ruptura varia de acordo com a distância da pilha à escavação. O fator de segurança pseudo-estático em análises 3D depende da orientação considerada para a força pseudo-estática horizontal. / [en] The main objective of this thesis is to investigate the mechanical behavior of rock slopes of great height in a mining project located in Peru, in terms of displacements and safety factors, considering that the excavation has almost reached the depth of 900m. The stress – strain analyses were carried out by the finite element method considering bi and three-dimensional models and the Mohr-Coulomb constitutive model for the six different types of rock found in the area of the project. The 3D geometrical effects on pseudo-static analyzes were also investigated, since the mine is situated in a region of seismic activity, as well as the influence of the distance of the waste material from the edge of the excavation. In general, it was observed that the horizontal displacements and the static safety factor are larger in 3D analysis while the vertical displacements were superior in 2D models. The effects of the waste dump on the values of the safety factor were insignificant, but the configuration of the potential failure surface varied according to its distance from the excavation. The pseudo-static safety factor in 3D analysis depends on the orientation considered for the horizontal pseudo-static force.

[pt] O entendimento dos processos que levam à instabilidade de taludes rochosos é de grande importância em análises de risco. Normalmente, desplacamentos e quedas de blocos de rocha ocorrem em épocas sem chuva, levando a crer que existem outros fatores deflagradores que devem ser analisados. Estudos relativamente recentes tem levantado a importância das tensões térmicas na propagação de fissuras e noacúmulo de tensões de tração. De forma a avaliar o impacto da ciclagem térmica sobre a rocha, foram realizadas análises termomecânicas utilizando o software de elementos finitos Abaqus 6.14. Nas simulações efetuadas foram utilizadas geometrias simplificadas, representativas de placas rochosas reais de áreas costeiras do Brasil. O maciço rochoso foi considerado isotrópico e homogêneo e os parâmetros térmicos utilizados (condutividade, calor específico e coeficiente de expansão térmica) foram adotados de acordo com valores obtidos na literatura para rochas de origem e constituição similar às rochas presentes na costa da região sudeste do Brasil (Gnaisses e Granitos). As condições de contorno de temperatura foram obtidas através de campanhas experimentais extraídas de estudo anterior. Admitiu-se ainda, apenas a ocorrência do modo I de propagação de fraturas, sendo a análise da propagação restrita a comparação entre K1c e os valores K1 desenvolvidos. Os resultados das simulações numéricas mostraram que a ocorrência de baixas temperaturas e de altos gradientes térmicos entre as faces externa e interna da placa ocasionam os maiores valores de K1, cuja magnitude é comparável aos valores de K1c típicos para rochas encontradas na região sudeste do Brasil. / [en] The understanding of the processes that lead to instability of rock slopes is of great importance in risk analysis. Normally, detachments and rockfalls occur in times without rain, leading to belief that there are other triggering factors that need to be evaluated. Relatively recent studies have raised the importance of thermal stresses in the propagation of cracks and in the accumulation of tensile stresses. In order to evaluate the impact of thermal cycling on the rock, thermomechanical analyzes were performed using Abaqus 6.14 finite element software. In the simulations, simplified geometries were used, representative of real rock plates of coastal areas of Brazil. The rock mass was considered isotropic and homogeneous and the thermal parameters (conductivity, specific heat and coefficient of thermal expansion) were adopted according to values obtained in the literature for rocks of origin and constitution similar to the rocks present in the coast of the southeastern region of Brazil (Gneisses and Granites). The temperature contour conditions were obtained through experimental campaigns extracted from a previous study. Only the occurrence of mode I of fracture propagation was allowed, with propagation analysis being restricted to the comparison between K1c and the K1 values developed. The results of the numerical simulations showed that the occurrence of low temperatures and high thermal gradients between the outer and inner faces of the plate cause the highest values of K1, whose magnitude is comparable to the values of K1c typical for rocks found in the southeastern region of Brazil.

[pt] Freqüentemente as análises de estabilidade de taludes são feitas por métodos determinísticos, nos quais é obtido um Fator de Segurança (FS). Estes métodos não quantificam as incertezas existentes nas variáveis de entrada (parâmetros de resistência) na análise. Tampouco mostram detalhes sobre qual variável afeta mais o resultado. Os métodos probabilísticos permitem superar estes problemas. A presente pesquisa tem como objetivo comparar dois métodos probabilísticos geralmente utilizados (Estimativas Pontuais e Segundo Momento). Três projetos utilizados comumente na geotecnia são analisados: barragem de rejeitos, talude de solo e aterro sobre argila mole.Um aspecto importante na análise probabilística é a quantificação adequada do desvio padrão. É sabido que as propriedades dos solos mostram uma correlação no espaço, pelo que o desvio padrão calculado por métodos clássicos da estatística é superestimado em comparação ao valor real no campo. El-Ramly (2001) desenvolveu uma metodologia para o cálculo da probabilidade de ruptura considerando a correlação espacial das propriedades do solo. Esta metodologia é de difícil aplicação prática. Serão, portanto, avaliadas na presente pesquisa as técnicas geralmente usadas de probabilidade e estabilidade de taludes, juntamente com um fator de correção proposto por Vanmarcke (1977a). Estas técnicas de probabilidade de estabilidade de taludes são factíveis de serem utilizadas junto com este fator de correção. Verificou-se que o Método de Segundo Momento é de mais fácil utilização, e portanto adequado para emprego em projetos geotécnicos. / [en] The analysis of slope stability is often determined by deterministic methods, in which a Factor of Security (FS) is obtained. These methods do not quantify the uncertainty in the input variables (strength parameters). Neither these methods show details which variable affects mostly the outcome results. The probabilistic methods allow overcoming these restrictions. This study aims at comparing two probabilistic methods of general use (Point Estimates and First Order Second Moment). Three projects commonly used in geotechnical engineering are analyzed: tailings dam, slope soil and embankment on soft clay. An important aspect of the probabilistic analysis is the proper quantification of the standard deviation. It is known that the soil properties show a correlation in space, so the standard deviation, calculated by traditional methods of statistics, is overestimated when compared to the real field value. El-Ramly (2001) developed a methodology for calculating the probability of failure considering the spatial correlation of the soil properties. This methodology is difficult to apply in practice. The present study will therefore evaluate the techniques generally used in probability of failure of slopes. These probability techniques applied to slope stability can be used together with a correction factor proposed by Vanmarcke (1977b). The Second Moment Method was found to be easier to use, and therefore more suitable for geotechnical projects.

[pt] Este trabalho tem por objetivo a avaliação da estabilidade de taludes de solo quando sometidos a processos de infiltração de chuva, utilizando conceitos de Análise Limite e Análise de Confiabilidade. Primeiramente, determina-se a variação da sução no solo, para isto, emprega-se o Método dos Elementos Finitos e o Método de diferenças finitas na solução da equação de Richards. O modelo de Van Genuchten (1980) é utilizado para a curva característica. Na solução da nãolinearidade, emprega-se o método Picard Modificado. A instabilidade de taludes é estudada mediante o método de Análise Limite Numérica com base no Método de Elementos Finitos e o critério de Mohr Coulomb como critério de escoamento. A solução do problema matemático será realizada no espaço cônico quadrático com o objetivo de tornar a solução mais computacionalmente eficiente. Considerando as propriedades do solo como variáveis aleatórias foi incluída a determinação do Índice de Confiabilidade utilizando as formulações dos métodos de Monte Carlo e FORM (first order reliability method). Inicialmente são introduzidos conceitos básicos associados ao fluxo saturado-não saturado. A seguir são apresentados alguns conceitos. Sobre Análise Limite e sua formulação pelo Método de Elementos Finitos. Finalmente são introduzidos os fundamentos da Análise de Confiabilidade. Análises de confiabilidade das encostas de Coos Bay no estado de Oregon nos Estados Unidos e da Vista Chinesa no Rio de Janeiro Brasil, são apresentadas devido a que estes taludes sofreram colapso quando submetidos a processos de infiltração de água de chuva. Os resultados deste trabalho mostram que a falha das encostas ocorre quando o índice de confiabilidade atinge um valor perto de dois. / [en] This thesis aims to perform a reliability analysis of the stability of 2D soil slopes when they are submitted to water infiltration due to the rains.The time variation of the soil matric suctions is calculated first. The Finite Element Method is used to transform the Richards differential equation into a system of nonlinear first order equations. The nonlinearity of the problem is due to the use of the characteristic curve proposed by van Genuchten (1980). The Modified Picard Method is applied to solve de time-dependent nonlinear equation system. The responses of the flux-problem are transferred to the stability problem in some instants using the same time-interval (normally days).To estimate the stability of the slopes, limit analysis is used. The limit analyses are performed based on the Inferior Limit Theorem of the Plasticity Theory. The problem is defined as an optimization problem where the load factor is maximized. The equilibrium equations are obtained via Finite Element discretization and the strength criterion of Mohr-Couomb is written in the conic quadratic space. Therefore, a SOCP (Second Order Conic Programming) problem is generated. The problem is solved using an interior point algorithm of the code Mosek.Since the soil properties are random variables a reliability analysis can be performed at each instant of the time-dependent problem. In order to perform the reliability analyses, Response Surfaces for the failure function of the slope are generated. In this work, the Stochastic Collocation Method is used to generate Response Surfaces. The Simulation Monte Carlo Method and the FORM (First Order Reliability Method) are used to obtain both the reliability index and the probability of failure of the slopes.Reliability analyses of the Coos Bay Slope in the state of Oregon in USA and in the Vista Chinesa Slope in Rio de Janeiro, Brazil, are presented because they collapse due to rainfall infiltration. The results show that the soil slope fails when the related reliability index is close to two.

[pt] Visando avaliar uma ferramenta numérica efetiva para resolução de problemas de estabilidade tridimensionais, a análise limite numérica foi estudada neste trabalho. Sua abordagem numérica requer o uso tanto do método dos elementos finitos quanto de programação matemática. Isto porque os teoremas da plasticidade, base da análise limite, podem ser colocados como problemas de otimização. No teorema do limite inferior, por exemplo, se deseja maximizar o fator de colapso, com o solo sujeito a condições de equilíbrio e ao critério de ruptura. O critério de ruptura utilizado foi o de Drucker-Prager. Neste trabalho, fez-se uso da programação cônica quadrática, conhecida por possibilitar a resolução de problemas de grande escala com muita eficiência. Empregou-se, para tanto, o solver Mosek. Além de ser possível determinar o fator de colapso, também se desenvolveu um método para calcular o fator de segurança da encosta. Ele reduz sucessivamente os parâmetros de resistência do solo, através do método de Newton-Raphson. Em casos de geometrias mais complexas, a formulação do problema teve que ser modificada. Uma força horizontal fictícia foi adicionada na condição de equilíbrio e unicamente ela foi majorada com o fator de colapso. Foi apenas através desta formulação que se pode simular a estabilidade de solos submetidos ao efeito de poropressão. A análise de fluxo foi simulada a parte no programa de elementos finitos desenvolvido por Miqueletto (2007). A resistência do solo depende dos valores de poropressão, que caracterizam os solos como saturados ou não saturados. / [en] Numerical limit analysis was studied in order to evaluate an effective numerical procedure to solve three-dimensional slope stability problems. This numerical approach utilizes finite element method and mathematical programming. Mathematical programming is needed because the plasticity theorems, basic theorems for limit analysis, can be cast as optimization problems. The lower bound theorem consists of finding the maximum collapse multiplier that will lead the soil to the imminence of collapse. The soil will still be restricted to equilibrium conditions and the yield criterion will have to be satisfied everywhere. Drucker- Prager was the yield criterion chosen. In this thesis, the optimization problem is reformulated as a second order cone programming (SOCP). SOCP is known to solve large-scale problems with great computational efficiency and we used the solver Mosek. The model calculates not only the collapse multiplier, but also the safety factor for the slope. A strength reduction scheme was proposed, based on the Newton-Raphson method. For complex geometries cases, a novel formulation was developed. A fictitious horizontal force was added at the equilibrium equation and uniquely this force was increased by the multiplier factor. It was only through this reformulation that it was possible to assess stability of slopes subjected to porepressure effects. The groundwater flow was simulated separately in a finite element program developed by Miqueletto (2007). The soil strength depends on porepressure values, which define soils as saturated or unsaturated.

[pt] O presente trabalho apresenta a aplicação das metodologias de análise de estabilidade para taludes rochosos de grande altura comumente aplicados dentro do mundo da mineração. Mostra os principais fatores que influem dentro de uma análise de estabilidade como são a determinação das propriedades geomecânicas do maciço rochoso (rocha intacta e descontinuidades) e a caracterização geológica estrutural da região estudada. Esses parâmetros geralmente são obtidos a partir de ensaios de laboratório e de campo, além da informação que fornecem os mapeamentos geológicos. Outra forma de determinar estas propriedades de resistência é através de retro-análises em regiões onde tenha ocorrido algum tipo de colapso ou pela recopilação de dados que foram utilizados em análises anteriores e possam ser extrapolados. Também é apresentado um passo a passo das distintas etapas de um estudo de estabilidade e a obtenção de dados que finalizam na aplicação de softwares especializados na área de geotécnia e geomecânica, os quais permitirão determinar e pré-visualizar os possíveis problemas de instabilidade dentro dos taludes de um pit mineiro. Serão apresentados dois tipos de análises de estabilidade, o primeiro baseado na teoria do método de equilíbrio limite, o qual procura a possível superfície crítica de deslizamento dentro de um talude e que, condiciona a estabilidade da parede aos valores do fator de segurança. A segundo análise está relacionada com um modelo numérico, o qual aplica o método de elementos distintos ou de blocos, que permite a aplicação de um modelo constitutivo que descreva o comportamento dos materiais e das descontinuidades dentro do maciço rochoso, fornecendo como resultados a pré-visualização de variação de deslocamentos e vetores de velocidade para cada etapa de escavação. / [en] This thesis presents the application of procedures for the stability analysis of high slopes commonly applied in the mining world. It presents the main parameters that influence the stability analysis: determination of the rock mass geomechanical properties (intact rock and discontinuities) and the geological structures characterization of the studied region. These parameters generally are the result of laboratory and field tests, in addition, the information about the geological mapping. Another procedure for determining the properties strength may be through a back analysis of a collapsed zone or extrapolation of a data compilation from previous analyses. Apart from strength parameter determination and concept applying of rock mechanics, this research describes step by step the different stages of a stability analysis and its obtained data, this work then finishes with a geotechnical and geomechanical software application, which will determines and previews slope stability problems for a mining pit. This thesis includes two stability analysis procedures: the first method applies the limit equilibrium theory, which looks for the critical failure surface that depends on depends on a factor of safety. The second one applies a numerical model that uses distinct element method, which through a constitutive model, describes how the materials and discontinuities behave in a rock mass, obtaining as a result, the displacement and velocity vectors for each excavation stage.

[pt] Comumente as análises de estabilidade de taludes são realizadas mediante métodos determinísticos, os quais visam o cálculo de um fator de segurança único assumindo os valores dos parâmetros de resistência como representativos e fixos. Estes métodos não conseguem avaliar as incertezas existentes nas propriedades do solo e tampouco indicam a proporção de influência que tem cada parâmetro de resistência no valor do fator de segurança. Os métodos probabilísticos, com base nas teorias de probabilidade, confiabilidade e estatística, permitem estimar a influência dessas incertezas nos cálculos determinísticos, com a possibilidade de prever mais amplamente o risco de insucesso associado a um projeto geotécnico de estabilidade de taludes. O presente trabalho estuda a aplicação de três métodos probabilísticos (Monte Carlo, Hipercubo Latino e Estimativas Pontuais Alternativas) na avaliação de estabilidade de taludes, com auxílio de métodos de equilíbrio limite no cálculo do fator de segurança. Com objetivo de inferir o impacto das variáveis aleatórias nas estimativas de probabilidade e confiabilidade, bem como da importância de uma quantificação adequada dos valores de desvio padrão, são realizadas comparações dos resultados obtidos com métodos probabilísticos e determinísticos (método das fatias, método dos elementos finitos) discutindo as principais vantagens, dificuldades e limitações nas aplicações dos mesmos em problemas de estabilidade de taludes de solo. / [en] Slope stability analyses are usually carried out using deterministic methods, which aim the calculation of a single safety factor assuming the values of the shear strength parameters as representative and fixed. These methods fail to assess the uncertainties in soil properties and do not indicate the proportion of influence that each resistance parameter has on the final value of the safety factor. The probabilistic methods, based on probability, reliability and statistical theories, allow the estimation of the influence of these uncertainties on the deterministic calculations, with the possibility to broadly predict the risk of failure associated with a geotechnical slope stability project. This dissertation studies the application of three probabilistic methods (Monte Carlo, Latin Hypercube, and Alternative Point Estimates) in the evaluation of slope stability, with aid of limit equilibrium methods for the calculation of safety factors. In order to infer the impact of random variables on the estimates of probability and reliability, as well as the importance of an adequate quantification of the standard deviation values, comparisons are made among the results obtained with probabilistic and deterministic methods (limit equilibrium method, finite element method), discussing the main advantages, difficulties and limitations in their application to soil slope stability problems.