Apresenta-se neste trabalho uma análise de ruptura de um talude em solo não saturado. O talude, com cerca de 15 m de altura, é composto de areia fina a média argilosa, com grau de saturação da ordem de 55% e SPT variando entre 4 golpes no topo a 13 golpes na base. Determinaram-se as seguintes propriedades do solo: resistência, condutividade hidráulica saturada e não saturada e curva de retenção, além de medir-se a sucção matricial em campo ao longo do ano. Efetuaram-se análises paramétricas para avaliar o efeito da precipitação na mudança do perfil de sucção matricial do terreno e suas implicações na resistência e, por extensão, na estabilidade do talude. Construíram-se, também, ábacos que incluem o efeito da variação da sucção matricial, utilizáveis para taludes com características semelhantes ao talude estudado. Verificou-se que para as condições do talude natural, no auge da estação seca, as sucções matriciais são de tal magnitude que fornecem estabilidade ao talude. À medida que ocorrem precipitações, as sucções matriciais reduzem-se e o fator de segurança do talude diminui, o que justifica a ruptura ocorrida. / In this article is showing an slope back analysis in unsaturated soil. The slope, with about 15 m of height, it is composed of a fine to medium clayey sand, with degree of saturation of the order of 55% and SPT varying among 4 blows in the top to 13 blows in the base. The following properties of the soil were determined: resistance, saturated and unsaturated conductivity and it curves of retention, besides measuring the suction along the year. Parametric analyses were made to evaluate the effect of the precipitation in the changes of the ground matricial suction profile and its implications in the resistance and, by extension, in the slope stability. They were also made, some abaci that include the effect of the matricial suction variation, usable for slopes with similar characteristics to the studied slope. It was verified that for the conditions of the natural slope, next to the peak of the dry station, the matricial suction is of such magnitude that it supply stability to the slope. In the successive events of precipitations the matricials suctions is reduced and the slope security factor decreases, that justifies the happened rupture.

Uma encosta localizada no município de São José - SC apresenta extenso histórico de instabilidades. Do ponto de vista litológico há predominância de granitoides na área de estudos e a mesma é transpassada por uma falha preenchida por riolito bastante alterado devido à atividade hidrotermal. O intemperismo da rocha granítica deu origem a um perfil de alteração com espessura bastante variável e a solos com características geotécnicas, químicas e mineralógicas distintas, levando à discretização de cinco solos. Quatro solos residuais foram denominados solos residuais de granito amarelo (GrAm), vermelho (GrVm), com biotita (GrBt) e lateritizado (GrLt), e uma argila de preenchimento de descontinuidades (ArBr). Foi realizada uma série de análises químicas, empregadas na quantificação de índices de intemperismo. O avanço do processo de intemperismo tornou os solos residuais mais finos e plásticos e nas áreas em que a alteração hidrotermal foi mais intensa houve a transformação de feldspatos em biotitas. As curvas de retenção solo-água obtidas para os solos saprolíticos são unimodais, mas no caso do solo GrLt os dados experimentais ajustam-se a curvas bimodais. O processo de remoldagem dos solos impacta nos níveis de sucção desenvolvidos. Os ensaios de condutividade hidráulica mostraram que esta propriedade não depende unicamente da porosidade e nível de confinamento, sendo relevante a influência da estrutura e mineralogia. Os solos saprolíticos tem comportamento distinto do apresentado pelo solo GrLt, no qual ocorre brusca redução de ksat com aumento do confinamento. Ensaios de compressão confinada em amostras indeformadas, remoldadas e reconstituídas possibilitaram identificar a manifestação da estrutura e sua influência na deformabilidade dos solos. Constatou-se que esta suplanta a influência da porosidade. Não é possível definir uma única linha de compressão normal que descreva o comportamento de cada material independentemente da forma com que foram preparados os corpos de prova. Nos ensaios triaxiais a estrutura dos materiais atua de forma distinta daquela observada nos ensaios oedométricos, indicando que sua influência depende da trajetória de tensões. A mineralogia parece ter influência na resistência ao cisalhamento destes solos. O solo GrBt apresentou o mais baixo ângulo de atrito, da ordem de 26º. O solo GrVm tem ângulo de atrito de 32º, sendo o maior aqui obtido. Quando remoldados os solos respeitam linhas de estado crítico (CSL) bastante bem definidas, por conta da redução da influência da estrutura nos resultados. Quando indeformados também é possível o ajuste de CSL, mas a dispersão dos dados é maior. O comportamento dos solos não é normalizável, mesmo quando remoldado. Em ensaios ring shear foram medidos ângulos de atrito residual entre 22º (GrAm) e 13,8º (GrLt) nos solos residuais. No solo ArBr o baixo ângulo de atrito residual (8º) se deve à granulometria fina e composição rica em argilominerais e micas. Sua associação ao solo GrBt corrobora a concentração das rupturas de encosta na área de ocorrência destes materiais. As curvas tensão-deformação dos ensaios triaxiais puderam ser satisfatoriamente reproduzidas pelo modelo hardening, o qual foi empregado para representar o comportamento dos solos em análises de estabilidade por meio de elementos finitos. Tais análises foram confirmadas por análises por equilíbrio limite no que tange a definição de áreas mais suscetíveis a rupturas. / A hillside in the municipality of São José - SC has an extensive history of instabilities. Under a lithological point of view, there is a predominance of granitoids in the study area, which is crossed by a fault filled by an altered rhyolite, due to hydrothermal activity. The weathering of the granite rock gave rise to a soil profile with highly variable thickness and soils with distinct geotechnical, chemical and mineralogical properties, leading to the discretization of five soils. They were denominated as four granite residual soils, yellow (GrAm), red (GrVm), with biotite (GrBt) and lateritizated (GrLt), and a clay soil that filled discontinuities (ArBr). A series of chemical analysis was carried out and employed to quantify some weathering indexes. As the weathering processes increased the residual soils became finer and more plastic. In areas where hydrothermal alteration was more intense feldspar was transformed in biotite. Soil suction characteristic curves obtained for the saprolitic soils were unimodal, but in the case of GrLt soil bimodal curves fitted better to experimental data. Remolding of the soils impacted the suction levels developed. Hydraulic conductivity tests have shown that this property does not depend solely on the porosity and confining pressures but the influence of soil structure and mineralogy is relevant. The saprolitic soils show a different behavior as compared to GrLt, which suffers abrupt reduction of ksat when the confinement is increased. Oedometric tests on undisturbed, remolded and reconstituted specimens allowed the identification of the influence of structure on the soil deformability. It was found that this influence is larger than that of porosity. It was not possible to define a unique normal compression line to describe the behavior of each material, regardless of the specimens preparation. In triaxial tests, soil structure acts in a different way from the observed in oedometric tests, indicating that their influence depends on the stress path. The mineralogy appears to have influence on the shear strength of these soils. The soil GrBt has the lowest friction angle, around 26°, and soil GrVm has a friction angle of 32° the largest obtained. When remolded these soils obey critical state lines which are well defined due to the reduction of soil structure influence. Although was possible to define CSL for the undisturbed soil the data dispersion was bigger. These soils do not have normalizable behavior even when remolded. Residual friction angles of residual soils measured through ring shear tests ranged between 22° (GrAm) and 13,8º (GrLt). The soil ArBr showed a very low residual friction angle (8°) due to its fine grain size and its mineralogical composition rich in clay minerals and mica. The association of ArBr soil to the GrBt soil supports the concentration of slope failures in the area of occurrence of these materials. Stress-strain curves of triaxial tests were satisfactorily reproduced by the hardening model, which was employed to represent the soils behavior in stability analyzes using finite element method. Such results were validated by limit equilibrium analysis that were employed to define the areas more susceptible to failures.

Made available in DSpace on 2014-07-29T15:18:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 dis pedro r r adriano geotec - pre text.pdf: 293347 bytes, checksum: 0d38b1697ea8493167fcf7f1b15fd61a (MD5) Previous issue date: 2009-09-29 / The main objective of this research is to investigate a three-dimensional (3D) slope stability analysis technique using the enhanced limit equilibrium method. The other objectives are to evaluate the practical applicability of the 3D analysis method, to interpret the physical significance of 3D stress states to the stability of a slope, and to determine the relationship between two-dimensional and three-dimensional factors of safety. For that, a computer program called SAFE3D was developed. The computer program is used to calculate the three-dimensional factor of safety (FS3D) for pre-established slip surfaces with spherical or ellipsoidal shape. The computer program is based on the two-dimensional analysis method proposed by Kulhawy, combined with an extension of this theory to 3D conditions that is proposed herein. The method developed consists in determining the in-situ stress fields by means of an elastic 3D stress-strain analysis using the finite element method. The 3D stress fields are then used to calculate the normal and shear stresses along any pre-determined slip surface and to determine the value of FS3D. Two slope stability problems widely studied by other researchers were analyzed in order to validate the program SAFE3D. The first problem corresponds to a symmetric cohesive slope and the second problem corresponds to a non-symmetric slope with cohesion and friction. Excellent results were obtained, suggesting that the program SAFE3D is efficient, stable, and robust for the problems studied. The values of FS3D obtained herein are similar to the values presented by other authors using distinct methods of analysis. A parametric study was carried out considering the shape of the slip surface and the shape of the face of the slope, including concave and convex slopes. The results indicate that the values of FS3D are always higher than the two-dimensional factor of safety (FS2D) of the intermediate surface. The value of FS3D decreased for slip surfaces extended across the sliding direction and approached the value of FS2D. It was determined that the Poisson's ratio has an important influence on the FS3D. The value of FS3D increases with the increase of Poisson's ratio. This influence varies with the geometry of the problem and the treatment given to the cinematically inadmissible shear stresses. Finally, a 3D analysis of the historic case of Lodalen is presented. The results indicate that the FS3D at the time of the slide is slightly higher and approaches 1 if the less favorable shear strength parameters determined by previous studies are used. In this case, the values obtained for FS2D are considerably smaller than 1, thereby indicating the potential superiority of the 3D approach. / Esta dissertação tem por objetivo principal investigar uma técnica de análise tridimensional (3D) de estabilidade de taludes pelo método do equilíbrio limite aperfeiçoado. É também objetivo deste trabalho avaliar a aplicabilidade prática do método de análise 3D, interpretar a significância física do estado de tensões 3D na estabilidade de taludes e determinar a relação entre os fatores de segurança bidimensional e tridimensional. Para tal, foi desenvolvido um programa computacional denominado SAFE3D. O programa permite o cálculo do fator de segurança tridimensional (FS3D), considerando superfícies de ruptura pré-estabelecidas, com formato esférico ou elipsoidal. O programa é baseado no método de análise bidimensional proposto por Kulhawy, sendo proposta aqui uma extensão deste método para condições 3D. O método desenvolvido consiste na determinação dos campos de tensões in-situ por meio de análises tensão-deformação 3D elásticas pelo método dos elementos finitos. Os campos de tensões 3D assim determinados são utilizados para o cálculo das tensões normais e cisalhantes ao longo de uma superfície de ruptura qualquer, pré-determinada, e para a determinação do FS3D. Para validar o programa SAFE3D foram feitas análises de dois problemas amplamente estudados por outros pesquisadores, o primeiro correspondendo a um talude simétrico coesivo e o segundo a um talude não-simétrico com coesão e atrito. Foram obtidos excelentes resultados, que sugerem que o programa SAFE3D é eficiente, estável e robusto para os problemas estudados. Os valores de FS3D obtidos são semelhantes àqueles obtidos por outros autores, utilizando métodos distintos. Foram realizadas também baterias de análises paramétricas, considerando o formato da superfície de ruptura e o formato da face do talude, incluindo taludes côncavos e convexos. Os resultados indicam que o FS3D é sempre superior ao fator de segurança bidimensional (FS2D) da superfície intermediária. O valor de FS3D diminuiu para superfícies de ruptura alongadas transversalmente à direção de ruptura, tendendo ao valor de FS2D. Foi determinado que o coeficiente de Poisson possui importante influência no FS3D, sendo que o FS3D cresce com o aumento do coeficiente de Poisson. Tal influência varia de acordo com a geometria do problema e com o tratamento dado às tensões cisalhantes cinematicamente inadmissíveis. Finalmente, é apresentada uma análise 3D do caso histórico de Lodalen. Os resultados obtidos indicam que o FS3D no momento da ruptura é ligeiramente superior e se aproxima de 1, caso sejam utilizados os parâmetros de resistência menos favoráveis, determinados pelos estudos originais. Neste caso, os valores de FS2D são consideravelmente inferiores a 1, indicando a potencial superioridade da abordagem 3D.

Apresenta-se um estudo paramétrico acerca da infiltração de água e sua repercussão no Fator de Segurança de talude em solos não saturados. Na análise adota-se um talude de referência com geometria fixada conforme a inclinação típica para taludes em areia argilo siltosa, característica do Centro-Oeste do estado de São Paulo. A análise paramétrica foi desenvolvida a partir de uma simulação de fluxo em regime transiente utilizando o programa SEEP/W, que utiliza o método de elementos finitos, e posteriormente uma análise de estabilidade do talude de referência utilizando o método de Bishop simplificado conforme apresentado no programa SLOPE/W. Foram analisados taludes homogêneos compostos por três diferentes tipos de solo, uma areia, um silte argiloso e uma areia argilo siltosa. Os parâmetros analisados compreendem a curva de retenção de água, a função condutividade hidráulica do solo e a intensidade de precipitação. Verificou-se que a função condutividade hidráulica e a pressão de entrada de ar são os principais determinantes do comportamento da infiltração e conseqüentemente da estabilidade do talude. As simulações de fluxo evidenciaram que os taludes em solos mais arenosos apresentam taxas de infiltração maiores que as apresentadas pelos taludes compostos por solos siltosos. Consequentemente, os escorregamentos ocasionados pela perda da contribuição da sucção para a resistência ao cisalhamento ocorrem primeiramente nos taludes compostos por solos arenosos e posteriormente naqueles compostos por solos siltosos, fato este que pôde ser confirmado pelas análises de estabilidade do talude de referência. / A parametric study is presented about water infiltration and its repercussion in the safety factor of unsaturated soil slopes. In the analysis it is adopted a reference slope with determined geometry according to the typical inclination for slopes in silty clayey sand, characteristic of the mid-western region of São Paulo State, in Brazil. The parametric analysis was developed from a flux simulation in transient regime using the SEEP/W software, which uses the finite elements method, and thereafter, a stability analysis of the reference slope using simplified Bishop method, as presented in the SLOPE/W software. Homogeneous slopes composed by three different types of soil (sand, clayey silt and silty clayey sand) were considered. The analyzed parameters include the water retention curve, the hydraulic conductivity function and the precipitation intensity. It was verified that the hydraulic conductivity function and the air entry value are the main determinants of the infiltration behavior and, subsequently, of the slope stability. The flux simulations have evidenced that coarser soils slopes show higher infiltration rates than the ones presented in finer soil slopes. Consequently, the slides caused by the loss of the suction\'s contribution to shear strength occur primarily in coarser soil slopes than in fine soil slopes, what could be verified in the stability analysis of the reference slope.

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[pt] A preocupação com a preservação ambiental e a sustentabilidade, cada vez mais presente em todos os aspectos da vida do mundo atual, conduz, mais e mais, à busca por fontes de energia limpa, renovável e minimamente agressivas ao meio ambiente. Dentro desse quadro, as usinas hidrelétricas reversíveis - UHRs - retornam mais uma vez como alternativa para matrizes de energia ao produzir energia incomparavelmente mais limpa e racional do que fontes tais como termoelétricas, muito utilizadas na regulação dos picos de consumo de energia. Entretanto, por sua operação peculiar, com ciclos curtos e frequentes de enchimento e rebaixamento do nível de água de seus lagos, o projeto para reservatórios das UHRs não está perfeitamente contemplado nos procedimentos normativos brasileiros usuais para o projeto de usinas hidrelétricas, carecendo de orientações adequadas para o tratamento das margens desses lagos, cuja instabilidade pode levar a problemas econômicos e ambientais bastante inconvenientes. Atento a este problema, este trabalho apresenta um resumo das principais metodologias de análise de estabilidade de taludes sujei-tos a rebaixamento rápido e identifica as potencialidades e limitações dos métodos de equilíbrio limite e numéricos usualmente utilizados, especialmente para o caso das UHRs. Foram apresentadas soluções de tratamento de taludes das margens de reservatórios para usinas reversíveis. O caso das rupturas às margens do reservatório da usina hidrelétrica de Santa Branca é apresentado para ilustrar a gravidade do problema e contribuiu para identificar as limitações para que os referidos métodos sejam efetivamente aplicados. A conclusão do trabalho é que estudos de viabilidade e de projeto de usinas hidrelétricas devem ser aprimorados para incluir as metodologias de estudo de estabilidade na condição de rebaixamento rápido mais atuais, especialmente para taludes marginais, cuja estabilidade condiciona a operação das UHRs, antevendo a possível introdução desta solução na matriz energética brasileira. Por fim, o presente trabalho apresenta recomendações para o aprimoramento dos estudos de viabilidade para a implantação de usinas hidrelétricas reversíveis, considerando o conteúdo dos manuais brasileiros. / [en] Concern about environmental preservation and sustainability, which is increa-singly present in all aspects of life currently, leads to the growth of a search for sources of energy that are clean, renewable and minimally aggressive for the environment. Within this framework, pumped storage power plants - PSPP - return once again as an alternative to energy matrices by producing incomparably cleaner and more rational energy than sources such as thermoelectric, widely used in the regulation of energy consumption peaks. However, due to its peculiar operation, with short and frequent cycles of filling and lowering of the water level of its lakes, the designs of PSPP reservoirs are not entirely covered by the usual Brazilian guidelines for design of hydroelectric plants, lacking appropriate guidance for the treatment of the margins from such reservoirs, whose destabilization can lead to very inconvenient economic and environmental issues. Regardful of this problem, this study presents a summary of the main methods of analysis of stability of slopes subjected to rapid drawdown and identifies the potentialities and limitations of the limit equilibrium methods and numerical methods usually used, especially for the case of PSPP. Slope stabilizations solutions for reservoir banks subjected to rapid drawdowns were presented. The case of the ruptures along the Santa Branca hydroelectric power plant reservoir is presented to illustrate the severity of the problem and has helped to identify the limitations for the effective application of these methods. The conclusion of this study is that feasibility studies and hydropower plant design should be improved in order to include more up-to-date methods of analysis of slope stability under rapid drawdown condition, especially for marginal slopes, which stability conditions the operation of PSPPs, foreseeing the possible introduction of this solution in the Brazilian energy matrix. Finally, this work presents recommendations for the improvement of feasibility studies for the implementation of PSPPs, considering the content of Brazilian guidelines.

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[pt] Este trabalho tem por objetivo o desenvolvimento de uma ferramenta numérica para avaliação do fluxo saturado-não saturado em encostas de grandes dimensões, com aplicação na análise de estabilidade dessas áreas. Emprega-se o método dos elementos finitos na solução da equação de Richards, considerando a carga de pressão como variável primária e utilizando formulação adequada para minimização dos problemas de conservação de massa, freqüentemente, associados a esse fato. O modelo constitutivo utilizado para a curva característica e função de condutividade hidráulica é o proposto por Van Genuchten (1980). Para solução da não-linearidade, emprega-se um método quasi- Newton (BFGS). Com o objetivo de minimizar os requisitos de memória computacional, utiliza-se esquema de armazenamento de matriz esparsa, associado ao método de gradiente biconjugado, na solução do sistema de equações. Paralelamente, é apresentado algoritmo de geração de malha tridimensional de elementos finitos, a partir de uma malha superficial de triângulos, representativa da topografia. Análises numéricas são executadas com a finalidade de validação do código gerado, comparando-se os resultados obtidos com aqueles gerados por outros programas já consagrados na literatura técnica. É proposta metodologia para geração de mapas de susceptibilidade a escorregamentos translacionais rasos, empregando-se o método do talude infinito, associado à estrutura da malha de elementos finitos e aos resultados do problema de fluxo, incorporando- se, assim, o efeito do estado de não saturação na resistência do material. / [en] The aim of this work is to develop a numerical tool for the analysis of saturated-unsaturated flow in large scale natural slopes, applied to the study of the stability of these areas. The finite element method is applied to solve the Richard`s equation, taking into account the pressure head as the primary variable and using an adequate formulation to minimize the mass conservation issues. The constitutive model used to the characteristic curve and hydraulic constitutive function is the one presented by van Genuchten (1980). A quasi-Newton method (BFGS) is applied for the solution of the non-linearity. A sparse matrix storage scheme, with the objective of reducing the computational memory requirements, is associated to the bi- conjugated gradient method for the solution of the system of equations. An algorithm of finite elements mesh is presented, which generates the 3D mesh from a triangle superficial mesh representing the relief. Numerical analyses are performed in order to validate the code, by comparing the results with those generated by others widely known codes presented in the technical literature. A methodology for the generation of susceptibility maps to shallow translational landslides is delineated, which employs the infinite slope method to the finite elements mesh structure and the flow problem results, considering the effect of the unsaturated state in the material strength.

[pt] Neste trabalho o método dos elementos finitos é empregado para analisar a estabilidade de taludes em solo solapados por voçorocas. Muitos dos deslizamentos de solo que ocorrem em taludes e encostas têm sido causados pelo fenômeno de voçorocas, o resultado de um processo de erosão de solos muito complexo. Uma breve revisão sobre a formação e o crescimento de voçorocas, bem como sobre os seus efeitos na estabilidade de taludes em solo, é feita neste trabalho. Exemplos ilustrativos da aplicação desta técnica para alguns casos de taludes e encostas erodidos por voçorocas são apresentados, incluindo-se duas análises numéricas da estabilidade de encostas situadas na cidade de Goiânia - GO. Dificuldades numéricas devido à baixa taxa de convergência da solução nas proximidades do colapso do talude são também discutidas. / [en] In this work the finite element method is employed to analyze the stability of soil slopes undermined by voçorocas (gulling). Many of the shear slides occurred in both natural slopes and embankments have been caused by the phenomenon of voçorocas, the outcome of a very complex soil erosion mechanism. A brief review about the formation and growing of voçorocas, as well as an overview of their effects on soil slope stability, are made in this work. In the numerical simulation by the finite element method, the potential slip surface is identified through the progressive formation of a region of yielded soil as the erosion process advances. A simple model, consisting of incremental excavations of soil near the foot of the slope, is used in this work to represent the undermining mechanism. Illustrative examples of this technique are presented for some cases of natural soil slopes eroded by voçorocas in the city of Goiania - GO. Numerical difficulties due to the poor convergence of the solution near the soil collapse are also discussed.

[pt] Esta dissertação apresenta uma comparação dos métodos utilizados para análise da estabilidade dinâmica de taludes de solo através de métodos pseudoestáticos (equilíbrio limite) e dinâmicos (método dos elementos finitos). Com ambos os métodos foram estudadas as características de estabilidade de 47 perfis de taludes da Costa Verde, faixa litorânea na cidade de Lima, Peru, abrigando importante rodovia ladeada por 8,25 km de taludes íngremes e de grande altura. Nesta região a ocorrência de sismos é freqüente, devido ao fenômeno da subducção da placa de Nazca sob a placa Continental Sul-Americana. O sismo de projeto foi estabelecido em relação a estudos regionais de risco sísmico e o acelerograma utilizado corresponde ao registrado no terremoto de Lima de 03 de outubro de 1974, normalizado para uma aceleração máxima de projeto de 0,33g. Os resultado obtidos pelos métodos pseudo-estáticos e pelo método dos elementos finitos apresentam diferenças em alguns dos perfis analisados, provavelmente porque os métodos pseudo-estáticos geralmente consideram as forças de inércia constantes na fatia e sem mudança de sentido durante o período da excitação sísmica. / [en] This thesis presents a comparison between the methods generally used for dynamic stability analysis of earth slopes, based either on a pseudo-static approach (limit equilibrium method) or on a dynamic approach (finite element method). Forty-seven profiles from the Costa Verde slopes located in Lima, Peru, were analyzed with both classes of methods. In this region seismic activity is quite common, caused by subduction of the Nazca plate into the South American Plate. The design seism was established from regional studies of seismic risks and the accelerogram used in this research corresponds to the seismic records from a major earthquake that hit Lima on October 3rd, 1974, herein normalized with respect to the maximum design acceleration of 0,33g. The results obtained with pseudo-static and the finite element methods presented differences in some specific soil profiles, probably because the pseudostatic methods admit that the inertial forces are constants through a soil slice and there are no changes in direction of the dynamic forces during the period of seismic excitation.