Tese de mestrado integrado. Engenharia Civil (Geotecnia). Universidade do Porto. Faculdade de Engenharia. 2011

Submitted by Admir José Giacon Junior null (juniorgiacon@gmail.com) on 2018-03-06T14:12:14Z No. of bitstreams: 1 Análise probabilística da estabilidade de taludes via teoria da confiabilidade - GIACON JUNIOR - 2018.pdf: 4258233 bytes, checksum: 777c3f6fb0d3f477af5650ac6adc895a (MD5) / Approved for entry into archive by Maria Marlene Zaniboni null (zaniboni@bauru.unesp.br) on 2018-03-07T17:37:24Z (GMT) No. of bitstreams: 1 giaconjunior_aj_me_bauru.pdf: 4258233 bytes, checksum: 777c3f6fb0d3f477af5650ac6adc895a (MD5) / Made available in DSpace on 2018-03-07T17:37:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 giaconjunior_aj_me_bauru.pdf: 4258233 bytes, checksum: 777c3f6fb0d3f477af5650ac6adc895a (MD5) Previous issue date: 2018-01-26 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Devido às consequências negativas associadas à ruptura e deslizamentos de taludes, a análise de estabilidade desses assume uma parte primordial na área da engenharia geotécnica. A maioria dessas análises é realizada de maneira determinística, não incorporando as incertezas inerentes ao sistema. A constatação dessas incertezas em projetos de taludes associa-se a previsão de uma probabilidade de falha no desempenho de taludes quanto à segurança. Nesse contexto, esta dissertação busca avaliar a segurança de taludes através de uma abordagem probabilística, simulando taludes com geometrias e solos variados, verificando ainda a influência da elevação da posição do nível d´água. Para essa finalidade foram realizadas análises probabilísticas utilizando First Order Reliability Method (FORM) com base nos métodos de Equilíbrio Limite, através dos programas computacionais acadêmicos RASS (análises determinísticas) e RELgen (análises probabilísticas). Com base nos resultados, verificou-se que as superfícies críticas obtidas pelos métodos determinísticos podem não coincidir com as superfícies que apresentam a maior probabilidade de falha. Isto é verificado ainda na análise de inclinação da superfície do talude, em que inclinações apresentando fatores de segurança admissíveis, apresentaram probabilidades de falha não aceitáveis. Estas divergências são atribuídas às incertezas inerentes ao sistema. Sendo assim, as análises de estabilidade de talude baseadas apenas nos resultados de análises determinísticas não apresentam todas as variáveis presentes no contexto do projeto. Por fim, através dos resultados obtidos nesta pesquisa é possível inferir que a adoção da análise probabilística em projeto de taludes auxilia de uma forma consistente a avaliação da segurança dos taludes, contribuindo de maneira satisfatória na prática de projetos de engenharia geotécnica. / Due to the negative consequences associated with slope rupture and landslides, the stability analysis of these slopes plays an important role in geotechnical engineering. Most of these analyzes are carried out in a deterministic manner, not incorporating the uncertainties inherent to the system. The observation of these uncertainties in slope projects is associated with the forecast of a probability of failure in slope performance in terms of safety. In this context, this paper present research seeks to evaluate slope safety in a probabilistic manner, simulating slopes with varied geometries and soils, also verifying the influence of elevation of the water level position. For this purpose, were performed probabilistic analyzes using First Order Reliability Method (FORM), based on the Limit Equilibrium methods, RASS (deterministic analysis) and RELgen (probabilistic analyzes). Based on the results, it was found that the critical surfaces obtained by the deterministic methods may not coincide with the highest most probability surfaces to fail. This is still verified in surface slope analysis, where inclinations with acceptable safety factors presented probabilities of failure unacceptable. These divergences are attributed to the uncertainties inherent in the system. Therefore, slope stability analyzes based only on the results of deterministic analyzes do not present all the variables present in the project context. Finally, through the results obtained in this research it is possible to infer that the adoption of probabilistic analysis in slope design assists in a consistent way the assessment of slope safety, contributing in a satisfactory way in the practice of geotechnical engineering projects.

A Costa Peruana apresenta alta atividade sísmica, tornando imprescindível a execução de análises de estabilidade que considerem os eventos sísmicos. Com o desenvolvimento de novas ferramentas numéricas, a análise dinâmica está se tornando cada vez mais importante e usual na fase de projeto, não se justificando mais a execução de análises estáticas em locais tão vulneráveis a sismos. A presente dissertação tem como objetivo realizar a análise da estabilidade dos Penhascos de Lima, Peru, considerando quatro taludes distintos, em uma região bastante afetada por abalos sísmicos. As análises foram executadas pelos métodos de equilíbrio limite, elementos finitos e pseudo-estático, buscando-se uma comparação entre os diferentes métodos. O trabalho apresenta uma descrição completa dos taludes em estudo, uma avaliação da condição sismológica da região e finalmente a estabilidade dos Penhascos de Lima, fazendo uso dos programas computacionais Slide (método do equilíbrio limite) e Plaxis (método dos elementos finitos) em 2D. Os resultados mostraram que os três métodos adotados forneceram fatores de segurança compatíveis, principalmente quando se considera perfis menos estratificados. Para perfis homogêneos, as diferenças obtidas foram da ordem de 0,5 a 1,0 %. As análises ressaltaram a importância de considerar a condição dinâmica, e mostraram-se bastante sensíveis aos valores de carga sísmica adotado. / The Peruvian coast has high seismic activity, making essential the implementation of stability analyzes that consider the seismic events. With the development of new numerical tools, dynamic analysis is becoming increasingly important and usual in the design phase is not justified over the execution of static analysis in places as vulnerable to earthquakes. This thesis aims to conduct the analysis of the stability of the cliffs of Lima, Peru, considering for different slopes, in a region highly affected by earthquakes. The analyzes were performed by equilibrium methods limit finite elements and pseudo-static, seeking a comparison between the different methods. The dissertation presents a complete description of the slopes in the study, an evaluation of the seismic condition of the region and finally the stability of Lima cliffs, making use of computer programs Slide (limit equilibrium method) and Plaxis (finite element method). The results showed that all three methods provided adopted gave safety factors, especially when considering less laminated profiles. For homogeneous profiles, obtained differences were of the order of 1.0 at 0.5%. The analysis highlighted the importance of considering the dynamic condition, and were quite sensitive to seismic load values adopted.

A Costa Peruana apresenta alta atividade sísmica, tornando imprescindível a execução de análises de estabilidade que considerem os eventos sísmicos. Com o desenvolvimento de novas ferramentas numéricas, a análise dinâmica está se tornando cada vez mais importante e usual na fase de projeto, não se justificando mais a execução de análises estáticas em locais tão vulneráveis a sismos. A presente dissertação tem como objetivo realizar a análise da estabilidade dos Penhascos de Lima, Peru, considerando quatro taludes distintos, em uma região bastante afetada por abalos sísmicos. As análises foram executadas pelos métodos de equilíbrio limite, elementos finitos e pseudo-estático, buscando-se uma comparação entre os diferentes métodos. O trabalho apresenta uma descrição completa dos taludes em estudo, uma avaliação da condição sismológica da região e finalmente a estabilidade dos Penhascos de Lima, fazendo uso dos programas computacionais Slide (método do equilíbrio limite) e Plaxis (método dos elementos finitos) em 2D. Os resultados mostraram que os três métodos adotados forneceram fatores de segurança compatíveis, principalmente quando se considera perfis menos estratificados. Para perfis homogêneos, as diferenças obtidas foram da ordem de 0,5 a 1,0 %. As análises ressaltaram a importância de considerar a condição dinâmica, e mostraram-se bastante sensíveis aos valores de carga sísmica adotado. / The Peruvian coast has high seismic activity, making essential the implementation of stability analyzes that consider the seismic events. With the development of new numerical tools, dynamic analysis is becoming increasingly important and usual in the design phase is not justified over the execution of static analysis in places as vulnerable to earthquakes. This thesis aims to conduct the analysis of the stability of the cliffs of Lima, Peru, considering for different slopes, in a region highly affected by earthquakes. The analyzes were performed by equilibrium methods limit finite elements and pseudo-static, seeking a comparison between the different methods. The dissertation presents a complete description of the slopes in the study, an evaluation of the seismic condition of the region and finally the stability of Lima cliffs, making use of computer programs Slide (limit equilibrium method) and Plaxis (finite element method). The results showed that all three methods provided adopted gave safety factors, especially when considering less laminated profiles. For homogeneous profiles, obtained differences were of the order of 1.0 at 0.5%. The analysis highlighted the importance of considering the dynamic condition, and were quite sensitive to seismic load values adopted.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / O perfeito entendimento de deslizamentos de terra tem sido objeto de grande interesse na engenharia geotécnica há muitos anos. Encostas naturais representam um desafio constante para os engenheiros, mais do que os taludes artificiais. Não é incomum que os escorregamentos causam perdas de vidas humanas e também danos materiais. As informações obtidas a partir de retro-análise de casos históricos, têm servido como uma ferramenta valiosa para a compreensão da estabilidade de taludes. Vale a pena notar que o primeiro método de cálculo de estabilidade de taludes, usando divisão de fatia, foi desenvolvido após um acidente na Noruega. Métodos de estabilidade por Equilíbrio Limite, desenvolvidos no século passado são atualmente utilizados na prática da engenharia. Apesar de suas deficiências, eles provaram ser confiáveis na determinação do Fator de Segurança. A geometria 2D e a abordagem completa da condição saturada são provavelmente as questões mais relevantes dos métodos atuais. A condição do solo não saturado está geralmente presente em taludes naturais e os métodos ignoram a influência da sucção do solo sobre a estabilidade do talude. O desenvolvimento de computadores no meio do século passado, tornaram os cálculos Equilíbrio Limite fáceis de serem executados. Por outro lado, eles não podem explicar a natureza do problema ou prever o comportamento do solo antes da ruptura. A década de 1960 marcou o início do desenvolvimento de programas de computador baseados em métodos numéricos que, entre outros, destaca-se, em geotecnia, a aplicação dos métodos de Elementos Finitos (FEM). Este método é ideal para muitos fins, uma vez que permite a simulação da sequência de construção e também a incorporação de diferentes modelos constitutivos. Este trabalho mostra a influência da sucção sobre a estabilidade de encostas naturais. Uma retroanálise de um escorregamento no Morro dos Cabritos, no Rio de Janeiro, foi feita através de um programa de análise de tensão (Plaxis 2D). Os resultados foram comparados com o FS obtido por programa de Equilíbrio Limite (Slide v5). O efeito de sucção do solo foi incorporada nas análises, através de sua influência sobre os parâmetros de resistência do solo e por diferentes possibilidades de infiltração de água na encosta. Este caso histórico foi estudado anteriormente por Gerscovich (1994), que na época, fez analise de fluxo e estabilidade utilizando um abordagem de Equilíbrio Limite 3D. Os resultados mostraram boa concordância entre a análise de Elementos Finitos e a simulação de Equilíbrio Limite, sem a presença de nível de água. Os resultados confirmaram que foi necessário haver pressões positivas para explicar a ruptura do talude.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / O perfeito entendimento de deslizamentos de terra tem sido objeto de grande interesse na engenharia geotécnica há muitos anos. Encostas naturais representam um desafio constante para os engenheiros, mais do que os taludes artificiais. Não é incomum que os escorregamentos causam perdas de vidas humanas e também danos materiais. As informações obtidas a partir de retro-análise de casos históricos, têm servido como uma ferramenta valiosa para a compreensão da estabilidade de taludes. Vale a pena notar que o primeiro método de cálculo de estabilidade de taludes, usando divisão de fatia, foi desenvolvido após um acidente na Noruega. Métodos de estabilidade por Equilíbrio Limite, desenvolvidos no século passado são atualmente utilizados na prática da engenharia. Apesar de suas deficiências, eles provaram ser confiáveis na determinação do Fator de Segurança. A geometria 2D e a abordagem completa da condição saturada são provavelmente as questões mais relevantes dos métodos atuais. A condição do solo não saturado está geralmente presente em taludes naturais e os métodos ignoram a influência da sucção do solo sobre a estabilidade do talude. O desenvolvimento de computadores no meio do século passado, tornaram os cálculos Equilíbrio Limite fáceis de serem executados. Por outro lado, eles não podem explicar a natureza do problema ou prever o comportamento do solo antes da ruptura. A década de 1960 marcou o início do desenvolvimento de programas de computador baseados em métodos numéricos que, entre outros, destaca-se, em geotecnia, a aplicação dos métodos de Elementos Finitos (FEM). Este método é ideal para muitos fins, uma vez que permite a simulação da sequência de construção e também a incorporação de diferentes modelos constitutivos. Este trabalho mostra a influência da sucção sobre a estabilidade de encostas naturais. Uma retroanálise de um escorregamento no Morro dos Cabritos, no Rio de Janeiro, foi feita através de um programa de análise de tensão (Plaxis 2D). Os resultados foram comparados com o FS obtido por programa de Equilíbrio Limite (Slide v5). O efeito de sucção do solo foi incorporada nas análises, através de sua influência sobre os parâmetros de resistência do solo e por diferentes possibilidades de infiltração de água na encosta. Este caso histórico foi estudado anteriormente por Gerscovich (1994), que na época, fez analise de fluxo e estabilidade utilizando um abordagem de Equilíbrio Limite 3D. Os resultados mostraram boa concordância entre a análise de Elementos Finitos e a simulação de Equilíbrio Limite, sem a presença de nível de água. Os resultados confirmaram que foi necessário haver pressões positivas para explicar a ruptura do talude.

Submitted by Franciele Moreira (francielemoreyra@gmail.com) on 2018-09-21T14:50:47Z No. of bitstreams: 2 Dissertação - Nícolas Rodrigues Moura - 2018.pdf: 4165797 bytes, checksum: 86460ffa29b4d346005f977c2f75693e (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2018-09-24T13:21:40Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertação - Nícolas Rodrigues Moura - 2018.pdf: 4165797 bytes, checksum: 86460ffa29b4d346005f977c2f75693e (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2018-09-24T13:21:40Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertação - Nícolas Rodrigues Moura - 2018.pdf: 4165797 bytes, checksum: 86460ffa29b4d346005f977c2f75693e (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2018-08-27 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / Análises de estabilidade de taludes são predominantemente realizadas em duas-dimensões (2D) por métodos de equilíbrio limite. Os métodos convencionais de equilíbrio limite são alvos de muitas críticas pelo o uso do equilíbrio estático, pressuposições de forças na análise e por possuir o mesmo fator de segurança ao longo de toda a superfície de deslizamento. Para superar essas deficiências, o método proposto por Kulhawy (1969) incorpora o comportamento tensão-deformação do solo com tensões oriundas do Método de Elementos Finitos (FEM) e tem a mesma estrutura dos métodos de equilíbrio dos métodos de equilíbrio de equilíbrio limite clássicos. É também chamado de método aperfeiçoado. Devido à existência de taludes com geometrias complexas, a abordagem tridimensional (3D) é a única capaz de incorporar todos os aspectos geométricos do problema. Esta dissertação é dividida em dois artigos com o tema de estabilidade de taludes pelo o método de Kulhawy em abordagens 2D e 3D. O objetivo primário dessa dissertação é avaliar os principais fatores que influenciam a estabilidade de taludes. O primeiro artigo propôs geometrias variando de convexo a côncavo em um conjunto de propriedades típicas de solos. Duas trajetórias de geração de tensões in- situ foram utilizadas, i.e., construção e escavação. O método GLE foi calculado para fins de comparação. A superfície de deslizamento é muito dependente do histórico de tensão e da forma da face do talude. A diferença relativa no estado de tensões inicial típico alcançou 15% nas análises 2D e 34% nas análises 3D. A análise de sensibilidade do efeito do Poisson no fator de segurança mostrou-se muito relevante. A relação entre os fatores de segurança 2D e 3D são quase lineares independente do estado de tensões, das propriedades de resistência, formato da face do talude, na ordem de 30 a 40%. O segundo artigo propõe análises em barragens construídas em vales estreitos. Três abordagens de análises foram utilizadas: redução de resistência ao cisalhamento (SSR), métodos de Kulhawy e GLE. Condições típicas de fundações são muito variáveis como topografia e deformabilidade. A análise de sensibilidade do módulo de fundação de Young no fator de segurança foi insignificante em 2D e relevantes em 3D. A relação entre o comprimento do aterro (W) e a altura () é uma variável representativa do grau de estreitamento da barragem e na estabilidade de taludes. A análise de deformações planas tende a altas relações W/H e o oposto mostra elevados efeitos 3D. A inclinação da ombreira mostrou-se relevante no fator de segurança apenas em aterros em vales estreitos. Fundações mais rígidas são mais beneficias para o fator de segurança devido à produção de altos efeitos de arqueamento neste cenário. O método de Kulhawy provou-se ser vantajoso pela a incorporação do comportamento mecânico do solo, o uso de tensões mais realísticas nas análises e avaliação da estabilidade local na superfície de deslizamento. Isso aumenta a quantidade de informações úteis e confiáveis para o profissional de engenharia no projeto de taludes. Todas as análises foram realizadas usando o software SoilVision Systems, Saskatchewan, Canadá. Os módulos utilizados foram o SVLOPE, SVSOLID e o SVFLUX (SoilVision Systems Ltd., 2018). A análise de tensão para a simulação de trajetórias de escavação e construção utilizou do solucionador de Equações Diferenciais Parcias (PDE) o FlexPDE 6 (PDE Solutions Inc., 2014). / Slope stability analyses are predominantly performed using the two-dimensional (2D) conventional limit equilibrium methods. Conventional limit equilibrium methods are targets of many criticisms for using static equilibrium, assumptions of forces in the analysis and the same factor of safety along the slip surface. In order to overcome these shortcomings, the method proposed by Kulhawy (1969) incorporates the stress-strain behavior of the soil with stresses from the Finite Element Method (FEM) with the same structure as limit equilibrium methods. It is also called enhanced method. Due to the existence of slopes with complex geometries, the three-dimensional (3D) approach is only able to incorporate all the geometric aspects of the problem. This thesis is divided into two papers with the subject of slope stability analyses by the Kulhawy’s method in 2D and 3D approaches. The primary objective of this thesis is to evaluate major factors that influence slope stability. The first paper proposed geometries ranging from convex to concave in a set of soil properties. Two stress paths were considered, i.e., construction and excavation. The GLE method was computed for comparison purposes. The slip surface is very dependent on the stress history and the shape of slope face. The relative difference in typical initial stress state reached 15% in 2D analyses and 34% in 3D analyses. Sensitivity analysis of effect of Poisson’s ratio on factor of safety was very relevant. The relationship between 2D and 3D factors of safety are nearly linear independent of stress state on order of 30 to 40%. The second paper propose analyses on embankment dams built in narrow valleys. Three approaches of slope stability were used: shear strength reduction (SSR), Kulhawy’s and GLE methods. The typical conditions of foundation sites are very variable as topography and deformability. Sensitivity analysis of Young’s modulus of foundation on factor of safety was insignificant in 2D and relevant in 3D analyses. The ratio between embankment length (W) and height (H) was very important on slope stability. The plane strain analysis tends to high W/H ratio and the opposite shows high 3D effects. The inclination of abutment showed to be relevant on factor of safety only in embankments in narrow valleys. Stiffer foundations are beneficial to the factor of safety due producing high arching effects in this scenario. The Kulhawy’s method proved to be advantageous by the incorporation of mechanical behavior of soil, more realistic stress and local stability evaluation on slip surface. It increases the amount of useful and reliable information to the engineering professional in design of slopes. All analyses were performed using SoilVision Systems suite software, Saskatchewan, Canada. The modules used were SVSLOPE, SVSOLID and SVFLUX (SoilVision Systems Ltd., 2018). The stress analysis for the simulation of excavation and construction trajectories used partial differential equation (PDE) solver, FlexPDE 6 (PDE Solutions Inc., 2014).