[pt] Injeção de CO2 em reservatórios depletados tem ocorrido nos últimos anos como uma forma efetiva de recuperação avançada de óleo e gás. Mais recentemente, a injeção de CO2 em depósitos geológicos vem sendo considerada uma alternativa viável para a redução da emissão de gases de efeito estufa na atmosfera. Nesses dois cenários, o CO2 injetado reage com a rocha, alterando algumas de suas propriedades petrofísicas e geomecânicas. Um dos principais depósitos são os reservatórios carbonáticos. O objetivo desta tese é aprimorar o entendimento em relação aos efeitos mecânicos da injeção de CO2 em rochas carbonáticas. Esse tópico é de grande interesse para a indústria de óleo e gás, devido aos procedimentos de sequestro de CO2 e recuperação avançada de óleo. Nesses dois cenários, o CO2 é injetado em reservatórios carbonáticos, alterando algumas das propriedades petrofísicas e geomecânicas da rocha reservatório. Essas alterações podem aumentar os riscos relacionados à produção, uma vez que essas mudanças na estrutura porosa da rocha tendem a modificar o fluxo de óleo e também de provocar a compactação do reservatório. Com o objetivo de melhorar a compreensão da interação CO2 e rochas carbonáticas, nesta tese foram feitos ensaios de laboratório e modelos numéricos. Para os ensaios de laboratório, uma solução de CO2 e água deionizada foi injetada em amostras de Indiana Limestone e coquina. Também foram executados ensaios mecânicos antes e depois da injeção de CO2, com o objetivo de avaliar os efeitos nas propriedades mecânicas das rochas carbonáticas. A caracterização mecânica foi realizada a partir de ensaios de compressão uniaxial e triaxial. Foram observadas consideráveis reduções nas resistências à compressão e nos módulos de Young das amostras de coquina e Indiana Limestone, quando submetidas ao ensaio de injeção de CO2. Houve também um aumento na porosidade medida pelo MicroCT e pelo porosímetro na amostra de coquina sujeita a injeção de solução de CO2. Os resultados experimentais foram utilizados para calibração e validação dos modelos numéricos. Com relação aos modelos numéricos, o método dos elementos discretos (DEM) foi utilizado. Para simular de forma adequada o comportamento do material, uma metodologia, englobando o modelo de contato, a geração da amostra e o procedimento de calibração foi apresentada. A calibração dos parâmetros do DEM foi feita considerando os resultados dos ensaios mecânicos realizados antes e depois do ensaio de dissolução. O modelo numérico foi capaz de simular corretamente os ensaios uniaxiais e triaxiais realizados nas amostras de Indiana Limestone e coquina. Adicionalmente, a metodologia apresentada para o modelo em DEM conseguiu gerar bons resultados considerando a degradação pela injeção de CO2 das propriedades mecânicas da Indiana Limestone, e resultados satisfatórios para a coquina. / [en] CO2 injection in depleted reservoirs has been largely employed over the past years as an effective process for oil and gas enhanced recovery. More recently, the injection of CO2 in geological deposits is considered a viable alternative to reduce greenhouse gases in the atmosphere. In these two scenarios, the injected CO2 interacts with the rock deposit altering some petrophysical and geomechanical properties. One of the main deposits is carbonate reservoirs. The objective of this research is to improve the knowledge regarding the mechanical effects of CO2 injection on carbonate rocks. Changes to the rock pore structure may change oil flow, cause reservoir compaction and containment issues. In order to improve the insight on the interaction between CO2 and carbonate rocks, laboratory tests and numerical models were carried out in this study. For the laboratory tests, a solution of liquid CO2 and deionized water was injected through Indiana Limestone and coquina samples. In addition, mechanical tests were executed before and after CO2 injection, to evaluate the effects on the mechanical properties from the carbonate rocks. The mechanical characterization was conducted by performing uniaxial and triaxial compressive tests. From the laboratory results, significant reduction on the unconfined compressive strength and on Young s moduli from the coquina and Indiana Limestone samples when subjected to the CO2 injection test was observed. In addition, an increase in porosity was also noted from MicroCT scans and porosimetry measurements on the coquina sample after the injection of CO2 solution. These results were used for the numerical model calibration and validation. Regarding the numerical model, the Discrete Element Method (DEM) was adopted. To accurately simulate the material behavior, a methodology encompassing the contact model, the sample generation and the calibration procedure is presented. The calibration of the DEM parameters used the results from the mechanical tests on the rocks prior and after the dissolution tests. The numerical model was able to accurately simulate the uniaxial and triaxial tests on the Indiana Limestone and coquina samples. In addition, the methodology presented for the DEM model managed to accurately reproduce the mechanical degradation due to CO2 injection on Indiana Limestone and to a lesser degree, on coquina samples.

[pt] A produção de sólidos em reservatórios de óleo e gás é consequência do fluxo de fluido nos poros de rocha pouco ou não consolidada (não cimentada) em direção ao poço de extração, um processo instigado fundamentalmente pelo estado de tensões, resistência da rocha e da completação ao redor do furo. A quantidade de material erodido pode ocasionar zonas de instabilidade e de colapso, falhas no maquinário de extração de hidrocarbonetos, além de problemas ambientais influenciados pelo descarte dos resíduos. Muitos são os métodos que tentam prever o percentual de produção dos sólidos, e estes podem ser pautados em resultados de campo, laboratório ou modelos teóricos. Em grande maioria os modelos numéricos estão baseados na mecânica dos meios contínuos e, alguns nos modelos discretos, que diferentemente dos métodos contínuos pode captar descontinuidades na microescala. Sendo assim, foi utilizado o DEM aliado à fluidodinâmica computacional, que calcula o fluxo do fluido por meio da solução da equação de Navier-Stokes, para simular a desagregação de sedimentos da rocha matriz sob diferentes condições, as simulações foram feitas no software CFDEM (marca registrada) project Goniva et al. (2012). Os resultados obtidos mostraram padrões similares aos obtidos em ensaios de laboratório tanto com produção contínua de partículas como a formação de arco de estabilidade na amostra. / [en] The production of solids in oil and gas reservoirs is a consequence of the flow of fluid passing through a poorly or an unconsolidated rock (uncemented) towards the extraction well, a process instigated fundamentally by the state of tensions, rock resistance and the completion around the hole. The amount of eroded material can create zones of instability and collapsible zones, flaws in the oil extraction machinery, and environmental problems due to the waste disposal. Many are the methods that try to predict the percentage of production of solids, they can be based on previous field results, laboratory or theoretical models. Most of the numerical models are based on mechanics of continuous media, and some on discrete models, which, unlike the continuous methods, can capture discontinuities at the micro scale. Therefore, the DEM was used in conjunction with the computational fluid dynamics, that will calculate the fluid flow through the solution of the Navier-Stokes equation to simulate the disintegration of sediments of the matrix rock under different conditions. The simulations were done in the software CFDEM (trademark) project Goniva et al. (2012). The results showed similar patterns to those obtained in laboratory tests with continuous particle production and stability arc formation in the sample.

[pt] Este trabalho tem como objetivo apresentar detalhes do desenvolvimento de um código numérico tridimensional para simulação de processos de fraturamento e fragmentação em geomateriais. O código se baseia no método combinado dos elementos finitos e discretos, sendo capaz de simular a transição do contínuo para o descontínuo. A princípio é apresentada uma breve introdução ao método combinado dos elementos finitos e discretos, e as suas principais implementações são destacadas. Além disso, são apresentados os conceitos básicos dos modelos de zona coesiva, ressaltando o modelo baseado em potencial PPR (Park-Paulino-Roesler). Em seguida, são apresentados os detalhes do desenvolvimento do código. O desenvolvimento do código foi dividido em quatro partes: modelagem do contínuo, transição entre o contínuo e o descontínuo, detecção e interação entre contatos e a resolução das equações de equilíbrio. As implementações feitas no código são verificadas mediante a simulação de três tipos de ensaios de laboratório comumente empregados na mecânica das rochas (ensaio brasileiro, ensaio de compressão simples e ensaio de tenacidade à fratura), cujos parâmetros utilizados e os resultados para comparação foram obtidos da literatura. Por fim, são apresentados os resultados exibindo os padrões de fraturamento para cada tipo de ensaio e suas curvas força-deslocamento, ou tensão-deformação, bem como as considerações finais e sugestões para trabalhos futuros. / [en] This work aims to detail the development of a three-dimensional numerical code for simulating fracturing and fragmentation processes in geomaterials. The code is based on the combined finite-discrete element method, being able to simulate the transition from continuum to discontinuum. At first, a brief introduction to the combined finite-discrete element method is presented, and its main implementations are highlighted. In addition, the basic concepts of the cohesive zone models are shown, emphasizing the PPR (Park-Paulino-Roesler) potential based cohesive model. Then, the details of the code development are presented. The development of the code was divided into four parts: modelling of the continuum, transition from continuum to discontinuum, detection and interaction between contacts, and the solution of the equilibrium equations. The implementations made on the code are verified upon the simulation of three types of laboratory tests commonly employed in rock mechanics (Brazilian test, uniaxial compressive strength test, fracture toughness test), in which the parameters used and the results for comparison were obtained from the literature. At last, the results exhibiting the fracture patterns for each type of test and its force-displacement, or stress-strain, curves are displayed, as well as the final considerations and suggestions for future works.

[pt] A estabilidade de poços de petróleo é convencionalmente analisada empregando soluções analíticas que não são adequadas para modelagem de meios fraturados, devido a suposições de meio continuo. Esta dissertação tem como objetivo principal desenvolver uma metodologia computacional para geração de janela operacional utilizando uma solução numérica, adequada para meios fraturados. No trabalho foi escolhido o software UDEC (Universal Distinct Element Code), que é baseado no método dos elementos discretos (MED). Este método considera o maciço rochoso como a união de blocos de rocha intactos, unidos pelas fraturas e cujo comportamento físico para cada elemento pode ser analisado individualmente. A modelagem computacional no UDEC foi realizada mediante uma analise hidromecânica acoplada. Esta modelagem permitiu avaliar a influencia de alguns mecanismos que governam a estabilidade de poços, como: as tensões in situ, a poropressão e a orientação, espaçamento e persistência das famílias de fraturas. Os resultados numéricos mostram o efeito das fraturas na orientação e magnitude das tensões, além da magnitude da poropressão resultando em cálculos dos limites de colapso inferior e fratura superior da rocha mais realistas. / [en] The stability of oil wells is conventionally analyzed using analytical solutions that are often not suitable for modeling fractured media due to assumptions of continuous medium. This work has as main objective to develop a computational method for generating mud window using a numerical solution, suitable for fractured media. The software chosen for this work was the UDEC (Universal Distinct Element Code), which is based on discrete element method (DEM). This method considers the rock mass as the union of blocks of intact rock jointed by fractures, and whose physical behavior for each element can be analyzed individually. Computational modeling in UDEC was carried out in a coupled hydromechanical analysis. This modeling allowed to evaluate the influences of some of the mechanisms that govern the stability of wells, as in situ stresses, pore pressure and orientation, spacing and persistence of families of fractures. Numerical results show the effect of fracture orientation and magnitude of the stresses, besides the magnitude of the pore pressure resulting in more realistic calculations of lower collapse and upper fracture of the rock mass.

[pt] Um grande número de novos materiais geotécnicos foi desenvolvido baseado na adição de materiais fibrosos, sendo incorporados como elementos de reforço. A técnica de solo reforçado pode ser representada pela produção e aplicação, não somente de fibra natural, mas também de fibras sintéticas e poliméricas. Estudos anteriores de solos reforçados com fibras de polipropileno têm mostrado melhora significativa das propriedades mecânicas dos solos, tais como o aumento da resistência de pico e resistência pós-pico, ductilidade e tenacidade. Estes resultados mostram um grande potencial deste tipo de fibra, quando utilizado como reforço de solos, por exemplo, em base de fundações superficiais, aterros sobre solos moles e liners de cobertura de aterros sanitários. A partir de ajustes matemáticos para determinar a interação entre solos granulares e observações do comportamento global em macro-escala tornou possível analisar o comportamento de solos granulares reforçados com fibras de uma forma micro-mecânica. A modelagem numérica do comportamento mecânico de solos reforçados com fibras de polipropileno, através de uma análise micro-mecânica, utiliza como ferramenta o Método dos Elementos Discretos (MED), que permite a representação do solo em 2D, a partir de um conjunto de partículas de elementos discretos circulares. O MED descarta a visão clássica do solo como uma forma contínua, proporcionando a possibilidade de modelá-lo como partículas constituintes. Sua formulação baseia-se no equilíbrio de forças e de deslocamentos gerados pelos contatos, os quais são descritos através das leis da física clássica, permitindo o mapeamento dos movimentos de cada partícula. A vantagem da micro-mecânica é a possibilidade de explicitar microestruturas, tais como fibras de polipropileno, responsáveis pela mudança no comportamento do solo. Com base no estudo deste fenômeno, causado pela inserção de fibras de polipropileno em materiais granulares, formulações matemáticas foram propostas com a finalidade de descrever o comportamento de solos reforçados através da implementação do código de elementos discretos (DEMlib). Após a calibração e validação do programa, a influência decorrente da inserção do reforço de fibra ao solo foi analisada, sendo realizadas simulações de ensaios biaxiais em amostras discretas de areia, com e sem o reforço fibroso. O comportamento micro-mecânico de misturas reforçadas permitiu avaliar os efeitos das mudanças no teor de fibras presente na matriz de solo, bem como diferentes rigidezes das fibras. Conclui-se que o estudo realizado pelo Método dos Elementos Discretos identificou a real interação entre as partículas do solo e do reforço em forma de fibra, indicando que as fibras, quando inseridas no solo, podem sofrer deformações plásticas de tração e alongamento até atingir a ruptura, proporcionando a melhora nos parâmetros mecânicos do solo. / [en] A large number of new geotechnical materials was developed based on the addition of fibrous materials being incorporated as reinforcement. The technique of reinforced soil can be represented by the production and application, not only natural fiber, but also synthetic fibers and polymer. Previous studies of soil reinforced with polypropylene fibers have shown significant improvement of mechanical properties of soils, such as increasing the resistance peak and postpeak strength, ductility and toughness. These results show a great potential for this type of fiber, when used as soil reinforcement, for example, based on shallow foundations, embankments over soft soils and liners for landfill cover. From mathematical adjustments to determine the interaction between granular soils and the observation of global macro-scale become possible to analyze the behavior of granular soils reinforced with fibers in a micro-mechanics. The numerical modeling of mechanical behavior of soil reinforced with polypropylene fibers, through a micro-mechanical analysis, the tool uses as the Discrete Element Method (DEM), which allows the representation of the soil in 2D, from a set of particles circular discrete elements. The MED rule out the classical view of soil as a continuous form, providing the ability to model it as a constituent particle. Its formulation is based on the balance of forces and displacements generated by the contacts, which are explained through the laws of classical physics, allowing the mapping of movements of each particle. The advantage of micro- mechanics is the possibility of explicit microstructures, such as polypropylene fibers, responsible for the change in the behavior of the soil. Based on the study of this phenomenon, caused by the insertion of polypropylene fibers in granular materials, mathematical formulations have been proposed in order to describe the behavior of reinforced soils through the implementation of the Code of discrete elements (DEMlib). After calibration and validation program, the influence due to the insertion of fiber reinforcement to the soil was analyzed, and simulations of biaxial tests on discrete samples of sand, with and without the fibrous reinforcement. The micro-mechanical behavior of blends reinforced allowed evaluating the effects of changes in fiber content present in the soil matrix and different rigidities of the fibers. We conclude that the study by the Discrete Element Method identified the actual interaction between the soil particles and the reinforcement in the form of fiber, indicating that the fibers, when inserted into the soil, may undergo plastic deformation and tensile elongation until the rupture, providing an improvement in mechanical parameters of soil.

[pt] A perfuração de poços de petróleo em ambientes adversos requer especialistas dedicados a estuda-la a fim de garantir que ela ocorra de forma rápida, segura e com qualidade. Dentro desse contexto, há estudos experimentais e numéricos que avaliam a ação de corte feita por um cortador individual objetivando quantificar as forças de contato, propor soluções para aumentar o seu tempo de vida útil e a sua taxa de penetração, e entender o mecanismo de corte. Seguindo esta linha de pesquisa, a presente Tese visa oferecer uma melhor compreensão para o problema de interação rocha/cortador PDC (Polycrystalline Diamond Compact) ao longo da perfuração de depósitos evaporíticos de halita e de reservatórios de carbonatos. O estudo foi abordado através da modelagem numérica do ensaio de cortador único e da modelagem numérica de corte por múltiplos cortadores através do método dos elementos discretos. Resultados experimentais aferiram a calibração da amostra sintética e dos modelos numéricos de corte em rocha. Um estudo numérico paramétrico do ensaio de cortador único foi feito objetivando identificar parâmetros que controlam a ação de corte. Em seguida, foi desenvolvida uma equação analítica que quantifica a energia específica mecânica global resultante da ação de múltiplos cortadores, a fim de entender e quantificar qual a contribuição de cada cortador na eficiência global. A equação foi aplicada usando os resultados das modelagens numéricas de múltiplos cortadores. Constatou-se que o bom ajuste entre as previsões numéricas e os resultados experimentais validou o uso do método dos elementos discretos para modelar o processo de corte em diferentes tipos de rochas. A modelagem numérica desenvolvida neste estudo pode ser considerada uma ferramenta útil para projeto e otimização do desempenho de brocas de perfuração. / [en] Oil wells drilling in adverse environments requires specialists dedicated to study the drilling process to ensure a quickly, safely and quality performance. In this context, experimental and numerical studies can be find in technical literature that evaluate the cutting action done by a single cutter aiming to quantify the contact forces, proposing solutions to increase its useful life time and its rate of penetration, and to understand the cutting mechanism. Following this line of research, this Thesis aims to provide a better understanding regarding the rock / polycrystalline diamond compact cutter interaction during the halite deposits and carbonate reservoirs drilling. The study was approached through numerical modeling of the single cutter test and through numerical modeling of the cutting action by multiple cutters using the discrete element method. Experimental results were used to calibrate the synthetic sample and the rock cutting numerical models. A parametric numerical study of the single cutter test was done aiming to identify parameters that control the cutting action. Then, an analytical equation was developed that quantifies the global mechanical specific energy resulting from the cutting action of multiple cutters, in order to understand and quantify the contribution of each cutter to overall efficiency. The equation was applied using the results of numerical modeling of multiple cutters developed in this work. It was verified that the good agreement between numerical predictions and experimental results validated the use of the discrete element method to model the cutting process in different rock types. The numerical modeling developed in this study can be considered a useful tool for design and optimizing the performance of drill bits.

[pt] O presente trabalho de pesquisa estuda a modelagem numérica de solos residuais no que se refere ao seu comportamento mecânico, a partir da análise micro-mecânica, utilizando como ferramenta de modelagem o método dos elementos discretos (MED), o qual permite a representação do solo como meio particulado 2D por meio de elementos discretos circulares. Diversos são os fenômenos micro e macro-estruturais presentes nos solos residuais, os quais condicionam sua resposta mecânica, podendo-se mencionar a dupla estrutura e dupla porosidade, a presença de uma matriz argilosa, a condição não saturada, a cimentação e quebra de grãos, e a presença de pequenos blocos de rocha não alterada. A partir do estudo destes fenômenos foram propostas formulações matemáticas que os descrevem, as quais foram implementadas no código de elementos discretos DEMlib. Após a calibração e validação do programa de análise implementado, a influência de cada um destes fenômenos na resposta mecânica do solo foi estudada pela simulação dos ensaios edométrico e de cisalhamento direto em amostras discretas com compacidade variada, criticando os resultados e obtendo conclusões. Em seguida estes fenômenos foram estudados de forma combinada no intuito de reproduzir a resposta de alguns solos residuais jovens e maduros. Encerrando o trabalho foram resumidas as conclusões obtidas e apontadas sugestões para um aprofundamento e desenvolvimentos subseqüentes da linha de pesquisa implementada. / [en] The present research studies the numerical modeling of the mechanical behavior of residual soils, by a micro-mechanical analysis, using as modeling tool the discrete elements method (DEM), which allows the representation of the soil as 2D particle assembly of circular discrete elements. There are several micro and macro structural phenomena present in residual soils, which determine its mechanical response: double structure and double porosity of soil mass, the presence of a clay-like matrix, partially saturated condition, grain cementation, grain crushing, and the presence of small blocks of not-weathered parental rock. Based on the study of these phenomena, mathematical formulations have been proposed in order to describe them, which have been implemented in the DEMlib discrete elements code. After calibration and validation of the implemented analysis program, the influence of each phenomena in soil response was studied by simulating edometrical and direct shear tests in discrete samples with several densities, criticizing the results and getting conclusions. Afterwards, these phenomena were studied in a combined way in order to reproduce the response of some young and mature residual soils. To finish up this work the conclusions obtained have been summarized and suggestions for deepening and further developing of the implemented research line have been stated.

[pt] As alterações no solo decorrentes de um elemento de fundação profunda e seus desempenhos sob a aplicação de carga axial são processos há muito tempo estudados na engenharia civil. Diversos fatores como, método de instalação utilizado, formato da estaca, interações solo-estrutura, mecanismos de transferências de carga, movimentação do solo e alterações na compressibilidade e tensões do solo adjacente, apresentam desafios importantes que ainda não foram totalmente compreendidos nos fenômenos de penetração e capacidade de suporte em estacas. Diversos avanços foram realizados ao longo das últimas décadas para se investigar estes comportamentos, a partir procedimentos experimentais e novas formas de instrumentação, assim como ferramentas numéricas sofisticadas com o emprego de complexos modelos constitutivos em elementos finitos. Apesar destes avanços, a modelagem numérica dos processos citados, com todas as suas complexidades, ainda encontra alguns desafios. Devido a facilidade em lidar com simulações de grandes deformações e de captar o comportamento dilatante e nãolinear de solos granulares, o Método dos Elementos Discretos apresenta uma excelente ferramenta para investigar estes processos, sem grandes complicações. O presente trabalho procurou avaliar os comportamentos obtidos a partir de diferentes processos de instalação da estaca e seus efeitos nos resultados da prova de carga estática em solos granulares. As alterações de tensão e deslocamento foram avaliadas nos diferentes modelos e discutindo sobre uma metodologia básica para obter correspondências qualitativas e quantitativas com os diferentes comportamentos de campo e laboratório. Para este estudo foram utilizados os programas PFC, na versão 2D, e o programa UDEC, da Itasca co. / [en] The disturbances experienced by the soil owing to the load applied to a deep foundation and its relative behavior consist of long time studied phenomena in civil engineering. Several factors such as the installation methods, the pile geometry, the interactions between soil and structure, the load-transfer mechanisms, the soil movements and the disturbances in the stress and compressibility fields present major challenges that have not yet been completely understood. Numerous advances have been observed throw-out the last decades, in order to investigate these behaviors starting from the different pile instrumentations, the use of calibration cameras and centrifuges and most recently the measurement of the stress and strain fields inside the soil mass in model tanks. Despite the advances the numerical modelling of those processes still faces major challenges. Due to simplified approach used by the Discrete Element Method to simulate large deformation and the dilant non-linear behavior of granular soils, it presents as an excellent tool to investigate these processes without further complications. The present work proposed to evaluate the different behaviors obtained with the variations of installation methods investigated as well as their effects in the results of the Pile Load Test. The disturbances were also evaluated in the different models considered and a basic method to achieve qualitative and quantitative comparisons was discussed. These studies were made possible with the help of the PFC2D and UDEC programs developed by Itasca co.

[pt] Diferentes mecanismos de ruptura são considerados no momento de avaliar a estabilidade de um maciço rochoso fraturado. Entre estes, os mecanismos de ruptura tipo planar, em cunha e tombamentos têm sido estudados intensivamente, existindo atualmente modelos matemáticos que permitem avaliá-los. Estes mecanismos de ruptura são restritos a taludes pequenos e com fraturas contínuas, nas quais o deslizamento ocorre ao longo destas descontinuidades. Em casos de taludes de grande altura ou quando a persistência das fraturas é pequena em relação à escala do talude, o fraturamento torna-se descontínuo. Neste caso, o mecanismo de ruptura mais provável é o tipo Step-Path, o qual, a superfície de ruptura é formada por fraturas que se propagam através da rocha intacta juntando-se entre elas. Este fenômeno de união de fraturas é chamado de coalescência. Análises de estabilidade, como os probabilísticos ou por equilíbrio limite, são usados atualmente para avaliar estes tipos de rupturas, não se tendo ainda o desenvolvimento de um modelo numérico que possa representá-lo e reforçar estas teorias. O presente trabalho avalia o uso do Método dos Elementos Discretos na modelagem do mecanismo de ruptura tipo step- path, realizando uma análise de estabilidade que permita comparar os seus resultados com o método de equilíbrio limite. Foi utilizado o programa PFC nas versões 2D e 3D, assim como o programa FracGen para a geração de fraturas tridimensionais. A análise tridimensional foi feita mediante um acoplamento PFC3D-FracGen. A pesquisa inclui a análise e modelagem dos fenômenos de coalescência em amostras, assim como a influência da anisotropia na resistência das rochas em ensaios triaxiais. / [en] Different failure mechanisms are considered when a fracturated rock mass is valued. Some of them are being subject of accurate study, like planar failure mechanism, wedges and toppling, which are currently valued by mathematical models. These failure mechanisms are restricted to small slopes and with continue fractures, where the sliding occurs along these discontinuities. To height slopes or when the fracture persistence is smaller than the slope scale, the fracturing becomes discontinuous. In this case, the most probable failure mechanism to happen is the step-path type, in which the failure surface is composed by fractures that propagate through the intact rock and that are joined together. This phenomenon of fracture union is known as coalescence. Stability analysis, like probability analysis or limit equilibrium analysis are currently utilized to evaluate this kind of failures, but its important to develop a numerical model to represent and reinforce these theories. This work aims to evaluate the use of Discrete Element Method to model step-path failure mechanism on a stability analysis and to compare the results with limit equilibrium method. The program used to simulate the slope is PFC (2D and 3D) and the program FracGen was used to generate three-dimensional fractures. Three-dimensional analysis was done by a coupling between PFC3D and FracGen. The research includes the analysis and modeling of coalescence phenomenon on rock samples, as well as the analysis of the anisotropy influence on rock strength obtained from triaxial tests.

[pt] Em um maciço rochoso, as fraturas apresentam-se de forma irregular e descontínua. A complexidade na distribuição espacial destas descontinuidades faz com que o mecanismo de ruptura por tombamento ocorra mais frequentemente por uma combinação de dois tipos de fenômenos: Tombamento de blocos e flexural. Assim, a ruptura por tombamento do tipo bloco-flexural pode ser considerada a forma mais comum presente neste tipo de mecanismo. Trabalhos utilizando o método de equilíbrio limite ou modelos físicos estudam a influência desta combinação, mas a literatura relata poucos trabalhos numéricos que possam ajudar na compreensão dos fenômenos envolvidos neste processo de ruptura. O presente trabalho procura modelar o mecanismo de ruptura por tombamento bloco-flexural através do método dos elementos discretos (DEM), utilizando o software PFC (Particle Flow Code). Em particular, procura-se avaliar as potencialidades do método para estudos deste tipo, utilizando um novo modelo de contato entre partículas e a calibração das propriedades elásticas do material sintético. Apresentam-se também detalhes da metodologia utilizada e exemplos de validação, incluindo comparações com soluções analíticas e semi-analíticas disponíveis na literatura. / [en] Joints exhibit an irregular and discontinuous behavior inside the rock mass. The spatial distribution complexity of these discontinuities causes the toppling failure occurs more often by a combination of two types of toppling phenomena: toppling of rock blocks and flexural toppling. Thus, the block-flexural toppling can be considered the most common when a toppling process is being developed in rock slopes. Analytical and physical models approach, were presented in order to study each process individually, but the literature reports few works that may help to understand the influence of the two processes together. The present work aims to represents the mechanism of block-flexural toppling through the discrete elements method (DEM) using the PFC (Particle Flow Code) software. In particular, the objective is to assess the potential of the method for studies of this type, using a new model of contact between particles and the elastic properties calibration of the synthetic material. In order to do that, the work shows the methodology details and validation examples, including comparisons with analytical and semi-analytical solutions that are available in the literature.