Orientador: Caio Gorla Nogueira / Resumo: Este trabalho apresenta um conjunto de técnicas estatísticas básicas aplicadas à modelagem de problemas de fluxo em meios porosos fraturados e de estabilidade de taludes, com o objetivo de identificar as variáveis explicativas mais influentes sobre a variabilidade das variáveis resposta. Diferentes planejamentos de experimentos foram utilizados para possibilitar a construção de metamodelos polinomiais representativos dos fenômenos estudados. Uma modificação do planejamento do tipo Box-Behnken é apresentada e foi proposta pelo autor para analisar problemas que envolvem elevado número de variáveis explicativas (e.g. 30). Os metamodelos, obtidos via método dos mínimos quadrados, são também chamados de superfícies de resposta ou modelos de regressão e são indispensáveis à verificação da sensibilidade das variáveis explicativas. O conjunto de técnicas mostrou- se muito eficaz na identificação das variáveis explicativas que provocaram efeitos mais significativos sobre a variável resposta. Evidenciou-se também, por meio dos exemplos de estabilidade de taludes tratados, a possibilidade de se quantificar incertezas com o uso de metamodelos suficientemente adequados, uma opção que pode ser bastante útil no processo de quantificação de incertezas de problemas que não possuem soluções analíticas simples. / Abstract: This paper presents a set of basic statistical techniques applied to the modeling of flow problems in fractured porous and slope stability media, aiming to identify the most influential explanatory variables on the response variables variability. Different designs of experiments were used to enable the construction of polynomial metamodels representative of the studied phenomena. A Box-Behnken type design modification is presented and was proposed by the author to analyze problems involving high number of explanatory variables (e.g. 30). The metamodels, obtained by the least squares method, are also called response surfaces or regression models and are indispensable for verifying the sensitivity of the explanatory variables. The set of techniques was very effective in identifying the explanatory variables that had the most significant effects on the response variable. It was also evidenced, through the examples of stability of treated slopes, the possibility of quantifying uncertainties using sufficiently adequate metamodels, an option that can be very useful in the process of quantifying uncertainty of problems that do not have simple analytical solutions. / Mestre

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

A RS471/BR153 é uma importante rodovia de integração, pois atravessa o estado do RS diagonalmente (Noroeste – Sudeste). O trecho estudado nesta dissertação localiza-se entre os municípios de Herveiras e Vera Cruz, coincidente com descida do planalto até a região central do estado. Durante o detalhamento do projeto e na construção da obra foram encontrados diversos problemas geotécnicos, os quais são sucintamente descritos. O texto apresenta as condicionantes geotécnicas de três subtrechos: (a) planalto, composto de rochas ácidas de origem vulcânica e grau de fraturamento muito alto; (b) descida da serra, composto pelos derrames da formação Serra Geral (brechas ácidas e basálticas e derrames basálticos) e (c) planície, com a presença de rochas sedimentares e materiais coluvionares. Além disto, há uma região especial onde o traçado atravessa uma sela topográfica coincidente com uma falha regional, com cortes de cerca de 60 m de altura através de rochas ácidas, básicas e brechas vulcânicas. A dissertação apresenta estudos dos processos de quedas de blocos rochosos que têm ocorrido nos cortes da rodovia. Foi utilizado um procedimento que correlaciona as leituras obtidas com o martelo Schmidt (Esclerômetro) e o coeficiente de restituição normal (RN) das rochas em diversos locais. Utilizando estes dados experimentais, foram executadas simulações de queda de blocos em quatro seções transversais bastante distintas com o uso do programa RocFall. Para cada seção foram simulados cinco cenários: (a) a existência de alargamentos para construção de áreas de retenção de blocos, (b) inexistência destas áreas, (c) a existência de preenchimento de uma ou várias banquetas existentes nos taludes de corte, e (d) o abatimento da seção com eliminação das banquetas. Foram também simulados quatro tipos de elementos de proteção: barreiras de baixa altura em concreto, camadas de areia fofa, barreiras metálicas flexíveis e proteção superficial dos taludes. A existência de áreas de retenção de blocos mostrou ser uma ótima medida, com frequências de invasão de pista geralmente abaixo de 1%, podendo chegar a 6,5% em condições de grande acúmulo de material. O melhor desempenho foi obtido pela instalação de camadas de areia fofa, obtendo-se todas as frequências abaixo de 2%. O uso de barreiras rígidas de 81 cm de altura teve um bom desempenho para taludes de baixa altura, chegando a detenções de até 25% dos blocos em trajetória de invasão. As barreiras flexíveis e proteções superficiais geraram resultados satisfatórios, mas que podem ser melhorados com outras modulações e dimensões. / The RS471/BR153 is an important road of integration, that cross RS state diagonally (northwest - southeast). The segment studied on this dissertation is located between the towns of Vera Cruz and Herveiras, coincident with the descent way from the plateau to the central state region. During the design and during the road construction several geotechnical problems were faced, which are briefly described. The text presents the geotechnical constraints of 3 segments: (a) plateau, composed of acid rocks of volcanic origin and very high degree of fracturing, (b) hills of the mountain, made up of volcanic rocks of Serra Geral formation (acid and basaltic breccias, basaltic flows) and (c) the plain, with the presence of sedimentary rocks and colluvial materials. There is also a special region where the road crosses a topographic saddle which it coincides with a regional fault, with cuts of about 60 m high through acid and basic rocks and volcanic breccia. The dissertation presents studies of rock falls that have occurred in the road cuts. A procedure that correlates the readings obtained with the Schmidt hammer (rebound hammer) and the normal coefficient of restitution (RN) of the rocks was carried out for measures taken at several locations. With these experimental data, simulations of falling boulders in four very different cross sections were done using the program RocFall. For each section five situations were simulated: (a) enlargements for the construction of rockfall catchment areas (b) the absence of these areas, (c) the existence of accumulation in the benchs of the cuts, and (d) the reduction of the section with bench removal. Four types of elements of protection were tested: concrete low barriers, layers of sand, flexible metal barriers and slope surface protection. The existence of rockfall catchment areas was shown to be a very good measure with frequencies of track invasion usually below 1% reaching 6.5% on conditions of large material accumulation. The best performance was obtained by the installation of sand layers, with all frequencies below 2%. The use of rigid barriers of 81 cm high had a good performance for low-slope heights, reaching up to 25% block retention. The use of flexible barriers and surface protections also had a good performance. / La RS471/BR153 es una importante carretera de integración, atraviesa el estado de RS diagonalmente (Noroeste-Sureste). El tramo estudiado en esta disertación se localiza entre los municipios de Herveiras y Vera Cruz, y coincide con el descenso desde el altiplano hasta la región central del estado. Durante las etapas de detalle y construcción de la obra fueron encontrados diversos problemas geotécnicos que son brevemente descritos. El texto presenta los condicionantes geotécnicos de tres subtramos: (a) altiplano, compuesto por rocas ácidas de origen volcánico y grado de fracturamiento muy alto; (b) descenso de la sierra, compuesto por los derrames de la formación Serra Geral (brechas ácidas y basálticas e derrames basálticos) y (c) planicie, con rocas sedimentarias y materiales coluviales. Además, hay una región donde el trazado atraviesa una “silla” topográfica que coincide con una falla regional, con cortes de aproximadamente 60 m de altura a través de rocas ácidas, básicas y brechas volcánicas. La disertación presenta estudios de procesos de caídas de rocas que han ocurrido en algunos cortes. Fue utilizado un procedimiento que correlaciona las lecturas obtenidas con el martillo Schmidt (Esclerómetro) y el coeficiente de restitución normal (RN) de las rocas en diferentes lugares. Con estos datos experimentales, fueron ejecutadas simulaciones de caídas de rocas en cuatro secciones transversales bastante distintas usando el programa RocFall. En cada sección fueron simulados cinco escenarios: (a) existencia de sobreanchos para la construcción de áreas de retención de rocas, (b) inexistencia de estas áreas, (c) existencia de relleno en una o más gradas existentes en los taludes de corte, y (d) diminución de la pendiente de los taludes y eliminación de las gradas. También fueron simulados cuatro tipos de elementos de protección: barreras de baja altura en concreto, capas de arena suelta, barreras metálicas flexibles y protección superficial de los taludes. La existencia de áreas de retención de rocas mostro ser una excelente medida, con frecuencias de invasión de pista generalmente inferiores a 1%, pudiendo llegar a 6,5% en condiciones de gran acumulación de material. El mejor desempeño fue obtenido con la instalación de capas de arena suelta, con todas las frecuencias por debajo de 2%. El uso de barreras rígidas de 81 cm de altura tuvo un buen desempeño para taludes de baja altura, llegando a detenciones de hasta 25% de los bloques en trayectoria de invasión. Las barreras flexibles y protecciones superficiales generaron resultados satisfactorios, que podrían ser mejorados con otras modulaciones y dimensiones.

[pt] O presente trabalho tem como principal objetivo mostrar a aplicabilidade prática da análise limite pelo método de elementos finitos na avaliação de problemas de estabilidade de talude, sendo este colocado como um problema de programação matemática, no qual se precisa realizar um processo de otimização para a solução do problema. Apresenta-se um método para obter a solução do problema de estabilidade de taludes utilizando para isso a programação matemática, e fazendo ênfase na utilidade da programação cônica da segunda ordem (SOCP). Inicialmente faz uma revisão das formulações da análise limite, via o método de elementos finitos, encontradas na literatura existente. A seguir é descrita a formulação da análise limite numérica partindo do principio do trabalho virtual para sua formulação, e utilizando a ferramenta dos elementos finitos para realizar a implementação numérica. São propostas diferentes formas de trabalhar com o critério de resistência do material, sendo a de melhor desempenho, em termos de tempo de processamento a forma cônica quadrática que permite acoplar a programação cônica da segunda ordem (SOCP) na ferramenta numérica. É acoplada a técnica da redução dos parâmetros de resistência do material com a finalidade de encontrar o fator de segurança da estrutura do talude (FS). Finalmente são apresentados exemplos de validação e aplicação, os quais permitem visualizar a eficiência da ferramenta desenvolvida em termos de tempo de processamento ao utilizar a programação cônica da segunda ordem (SOCP). Os resultados sugerem viabilidade da utilização da técnica estudada na solução de problemas relacionada à estabilidade de taludes. / [en] The main objective of this work is to show the practical applicability of limit analysis by finite element method in the evaluation of slope stability problems, and this placed as a mathematical programming problem, which you need to perform an optimization process to solve the problem. We present a method to obtain the solution of the problem of slope stability using for this mathematical programming, and making emphasis on the usefulness of the second order conic programming (SOCP). Initially, a review of formulations Limit Analysis via Finite Element Method, found in the existing literature. Then is described the Numerical Limit Analysis formulation starting from virtual work principle their formulation, and using Finite Element Method as a tool to carry out the numerical implementation. We propose different ways of working with the yield criterion of the material, being the best performing in terms of processing time the conic quadratic form that allows to coupling to the second order conic programming (SOCP) in numerical implementation. It is coupled to the technique of reducing the strength parameters of the material in order to find the safety factor of the slope of the structure (FS). Finally, examples are presented for validation and application, which allow you to view the efficiency of the developed implementation in terms of processing time with the use of second order conic programming (SOCP). The results suggest the feasibility of using the technique studied in the solution of problems related to Slope Stability.

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.

A RS471/BR153 é uma importante rodovia de integração, pois atravessa o estado do RS diagonalmente (Noroeste – Sudeste). O trecho estudado nesta dissertação localiza-se entre os municípios de Herveiras e Vera Cruz, coincidente com descida do planalto até a região central do estado. Durante o detalhamento do projeto e na construção da obra foram encontrados diversos problemas geotécnicos, os quais são sucintamente descritos. O texto apresenta as condicionantes geotécnicas de três subtrechos: (a) planalto, composto de rochas ácidas de origem vulcânica e grau de fraturamento muito alto; (b) descida da serra, composto pelos derrames da formação Serra Geral (brechas ácidas e basálticas e derrames basálticos) e (c) planície, com a presença de rochas sedimentares e materiais coluvionares. Além disto, há uma região especial onde o traçado atravessa uma sela topográfica coincidente com uma falha regional, com cortes de cerca de 60 m de altura através de rochas ácidas, básicas e brechas vulcânicas. A dissertação apresenta estudos dos processos de quedas de blocos rochosos que têm ocorrido nos cortes da rodovia. Foi utilizado um procedimento que correlaciona as leituras obtidas com o martelo Schmidt (Esclerômetro) e o coeficiente de restituição normal (RN) das rochas em diversos locais. Utilizando estes dados experimentais, foram executadas simulações de queda de blocos em quatro seções transversais bastante distintas com o uso do programa RocFall. Para cada seção foram simulados cinco cenários: (a) a existência de alargamentos para construção de áreas de retenção de blocos, (b) inexistência destas áreas, (c) a existência de preenchimento de uma ou várias banquetas existentes nos taludes de corte, e (d) o abatimento da seção com eliminação das banquetas. Foram também simulados quatro tipos de elementos de proteção: barreiras de baixa altura em concreto, camadas de areia fofa, barreiras metálicas flexíveis e proteção superficial dos taludes. A existência de áreas de retenção de blocos mostrou ser uma ótima medida, com frequências de invasão de pista geralmente abaixo de 1%, podendo chegar a 6,5% em condições de grande acúmulo de material. O melhor desempenho foi obtido pela instalação de camadas de areia fofa, obtendo-se todas as frequências abaixo de 2%. O uso de barreiras rígidas de 81 cm de altura teve um bom desempenho para taludes de baixa altura, chegando a detenções de até 25% dos blocos em trajetória de invasão. As barreiras flexíveis e proteções superficiais geraram resultados satisfatórios, mas que podem ser melhorados com outras modulações e dimensões. / The RS471/BR153 is an important road of integration, that cross RS state diagonally (northwest - southeast). The segment studied on this dissertation is located between the towns of Vera Cruz and Herveiras, coincident with the descent way from the plateau to the central state region. During the design and during the road construction several geotechnical problems were faced, which are briefly described. The text presents the geotechnical constraints of 3 segments: (a) plateau, composed of acid rocks of volcanic origin and very high degree of fracturing, (b) hills of the mountain, made up of volcanic rocks of Serra Geral formation (acid and basaltic breccias, basaltic flows) and (c) the plain, with the presence of sedimentary rocks and colluvial materials. There is also a special region where the road crosses a topographic saddle which it coincides with a regional fault, with cuts of about 60 m high through acid and basic rocks and volcanic breccia. The dissertation presents studies of rock falls that have occurred in the road cuts. A procedure that correlates the readings obtained with the Schmidt hammer (rebound hammer) and the normal coefficient of restitution (RN) of the rocks was carried out for measures taken at several locations. With these experimental data, simulations of falling boulders in four very different cross sections were done using the program RocFall. For each section five situations were simulated: (a) enlargements for the construction of rockfall catchment areas (b) the absence of these areas, (c) the existence of accumulation in the benchs of the cuts, and (d) the reduction of the section with bench removal. Four types of elements of protection were tested: concrete low barriers, layers of sand, flexible metal barriers and slope surface protection. The existence of rockfall catchment areas was shown to be a very good measure with frequencies of track invasion usually below 1% reaching 6.5% on conditions of large material accumulation. The best performance was obtained by the installation of sand layers, with all frequencies below 2%. The use of rigid barriers of 81 cm high had a good performance for low-slope heights, reaching up to 25% block retention. The use of flexible barriers and surface protections also had a good performance. / La RS471/BR153 es una importante carretera de integración, atraviesa el estado de RS diagonalmente (Noroeste-Sureste). El tramo estudiado en esta disertación se localiza entre los municipios de Herveiras y Vera Cruz, y coincide con el descenso desde el altiplano hasta la región central del estado. Durante las etapas de detalle y construcción de la obra fueron encontrados diversos problemas geotécnicos que son brevemente descritos. El texto presenta los condicionantes geotécnicos de tres subtramos: (a) altiplano, compuesto por rocas ácidas de origen volcánico y grado de fracturamiento muy alto; (b) descenso de la sierra, compuesto por los derrames de la formación Serra Geral (brechas ácidas y basálticas e derrames basálticos) y (c) planicie, con rocas sedimentarias y materiales coluviales. Además, hay una región donde el trazado atraviesa una “silla” topográfica que coincide con una falla regional, con cortes de aproximadamente 60 m de altura a través de rocas ácidas, básicas y brechas volcánicas. La disertación presenta estudios de procesos de caídas de rocas que han ocurrido en algunos cortes. Fue utilizado un procedimiento que correlaciona las lecturas obtenidas con el martillo Schmidt (Esclerómetro) y el coeficiente de restitución normal (RN) de las rocas en diferentes lugares. Con estos datos experimentales, fueron ejecutadas simulaciones de caídas de rocas en cuatro secciones transversales bastante distintas usando el programa RocFall. En cada sección fueron simulados cinco escenarios: (a) existencia de sobreanchos para la construcción de áreas de retención de rocas, (b) inexistencia de estas áreas, (c) existencia de relleno en una o más gradas existentes en los taludes de corte, y (d) diminución de la pendiente de los taludes y eliminación de las gradas. También fueron simulados cuatro tipos de elementos de protección: barreras de baja altura en concreto, capas de arena suelta, barreras metálicas flexibles y protección superficial de los taludes. La existencia de áreas de retención de rocas mostro ser una excelente medida, con frecuencias de invasión de pista generalmente inferiores a 1%, pudiendo llegar a 6,5% en condiciones de gran acumulación de material. El mejor desempeño fue obtenido con la instalación de capas de arena suelta, con todas las frecuencias por debajo de 2%. El uso de barreras rígidas de 81 cm de altura tuvo un buen desempeño para taludes de baja altura, llegando a detenciones de hasta 25% de los bloques en trayectoria de invasión. Las barreras flexibles y protecciones superficiales generaron resultados satisfactorios, que podrían ser mejorados con otras modulaciones y dimensiones.

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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).

A RS471/BR153 é uma importante rodovia de integração, pois atravessa o estado do RS diagonalmente (Noroeste – Sudeste). O trecho estudado nesta dissertação localiza-se entre os municípios de Herveiras e Vera Cruz, coincidente com descida do planalto até a região central do estado. Durante o detalhamento do projeto e na construção da obra foram encontrados diversos problemas geotécnicos, os quais são sucintamente descritos. O texto apresenta as condicionantes geotécnicas de três subtrechos: (a) planalto, composto de rochas ácidas de origem vulcânica e grau de fraturamento muito alto; (b) descida da serra, composto pelos derrames da formação Serra Geral (brechas ácidas e basálticas e derrames basálticos) e (c) planície, com a presença de rochas sedimentares e materiais coluvionares. Além disto, há uma região especial onde o traçado atravessa uma sela topográfica coincidente com uma falha regional, com cortes de cerca de 60 m de altura através de rochas ácidas, básicas e brechas vulcânicas. A dissertação apresenta estudos dos processos de quedas de blocos rochosos que têm ocorrido nos cortes da rodovia. Foi utilizado um procedimento que correlaciona as leituras obtidas com o martelo Schmidt (Esclerômetro) e o coeficiente de restituição normal (RN) das rochas em diversos locais. Utilizando estes dados experimentais, foram executadas simulações de queda de blocos em quatro seções transversais bastante distintas com o uso do programa RocFall. Para cada seção foram simulados cinco cenários: (a) a existência de alargamentos para construção de áreas de retenção de blocos, (b) inexistência destas áreas, (c) a existência de preenchimento de uma ou várias banquetas existentes nos taludes de corte, e (d) o abatimento da seção com eliminação das banquetas. Foram também simulados quatro tipos de elementos de proteção: barreiras de baixa altura em concreto, camadas de areia fofa, barreiras metálicas flexíveis e proteção superficial dos taludes. A existência de áreas de retenção de blocos mostrou ser uma ótima medida, com frequências de invasão de pista geralmente abaixo de 1%, podendo chegar a 6,5% em condições de grande acúmulo de material. O melhor desempenho foi obtido pela instalação de camadas de areia fofa, obtendo-se todas as frequências abaixo de 2%. O uso de barreiras rígidas de 81 cm de altura teve um bom desempenho para taludes de baixa altura, chegando a detenções de até 25% dos blocos em trajetória de invasão. As barreiras flexíveis e proteções superficiais geraram resultados satisfatórios, mas que podem ser melhorados com outras modulações e dimensões. / The RS471/BR153 is an important road of integration, that cross RS state diagonally (northwest - southeast). The segment studied on this dissertation is located between the towns of Vera Cruz and Herveiras, coincident with the descent way from the plateau to the central state region. During the design and during the road construction several geotechnical problems were faced, which are briefly described. The text presents the geotechnical constraints of 3 segments: (a) plateau, composed of acid rocks of volcanic origin and very high degree of fracturing, (b) hills of the mountain, made up of volcanic rocks of Serra Geral formation (acid and basaltic breccias, basaltic flows) and (c) the plain, with the presence of sedimentary rocks and colluvial materials. There is also a special region where the road crosses a topographic saddle which it coincides with a regional fault, with cuts of about 60 m high through acid and basic rocks and volcanic breccia. The dissertation presents studies of rock falls that have occurred in the road cuts. A procedure that correlates the readings obtained with the Schmidt hammer (rebound hammer) and the normal coefficient of restitution (RN) of the rocks was carried out for measures taken at several locations. With these experimental data, simulations of falling boulders in four very different cross sections were done using the program RocFall. For each section five situations were simulated: (a) enlargements for the construction of rockfall catchment areas (b) the absence of these areas, (c) the existence of accumulation in the benchs of the cuts, and (d) the reduction of the section with bench removal. Four types of elements of protection were tested: concrete low barriers, layers of sand, flexible metal barriers and slope surface protection. The existence of rockfall catchment areas was shown to be a very good measure with frequencies of track invasion usually below 1% reaching 6.5% on conditions of large material accumulation. The best performance was obtained by the installation of sand layers, with all frequencies below 2%. The use of rigid barriers of 81 cm high had a good performance for low-slope heights, reaching up to 25% block retention. The use of flexible barriers and surface protections also had a good performance. / La RS471/BR153 es una importante carretera de integración, atraviesa el estado de RS diagonalmente (Noroeste-Sureste). El tramo estudiado en esta disertación se localiza entre los municipios de Herveiras y Vera Cruz, y coincide con el descenso desde el altiplano hasta la región central del estado. Durante las etapas de detalle y construcción de la obra fueron encontrados diversos problemas geotécnicos que son brevemente descritos. El texto presenta los condicionantes geotécnicos de tres subtramos: (a) altiplano, compuesto por rocas ácidas de origen volcánico y grado de fracturamiento muy alto; (b) descenso de la sierra, compuesto por los derrames de la formación Serra Geral (brechas ácidas y basálticas e derrames basálticos) y (c) planicie, con rocas sedimentarias y materiales coluviales. Además, hay una región donde el trazado atraviesa una “silla” topográfica que coincide con una falla regional, con cortes de aproximadamente 60 m de altura a través de rocas ácidas, básicas y brechas volcánicas. La disertación presenta estudios de procesos de caídas de rocas que han ocurrido en algunos cortes. Fue utilizado un procedimiento que correlaciona las lecturas obtenidas con el martillo Schmidt (Esclerómetro) y el coeficiente de restitución normal (RN) de las rocas en diferentes lugares. Con estos datos experimentales, fueron ejecutadas simulaciones de caídas de rocas en cuatro secciones transversales bastante distintas usando el programa RocFall. En cada sección fueron simulados cinco escenarios: (a) existencia de sobreanchos para la construcción de áreas de retención de rocas, (b) inexistencia de estas áreas, (c) existencia de relleno en una o más gradas existentes en los taludes de corte, y (d) diminución de la pendiente de los taludes y eliminación de las gradas. También fueron simulados cuatro tipos de elementos de protección: barreras de baja altura en concreto, capas de arena suelta, barreras metálicas flexibles y protección superficial de los taludes. La existencia de áreas de retención de rocas mostro ser una excelente medida, con frecuencias de invasión de pista generalmente inferiores a 1%, pudiendo llegar a 6,5% en condiciones de gran acumulación de material. El mejor desempeño fue obtenido con la instalación de capas de arena suelta, con todas las frecuencias por debajo de 2%. El uso de barreras rígidas de 81 cm de altura tuvo un buen desempeño para taludes de baja altura, llegando a detenciones de hasta 25% de los bloques en trayectoria de invasión. Las barreras flexibles y protecciones superficiales generaron resultados satisfactorios, que podrían ser mejorados con otras modulaciones y dimensiones.

[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.