O presente trabalho foi realizado para estudar o efeito sobre a propagação de fraturas em juntas não-persistentes quando existe uma variação da rugosidade nas juntas. Para esta abordagem, foram analisados os modos de coalescência, o ângulo de início das fraturas, a resistência à compressão e deformação de modelos de argamassa contendo juntas não-persistentes e submetidos a estados biaxiais de tensão. Na literatura especializada encontram-se vários trabalhos que estudam o comportamento de juntas lisas não-persistentes. Infelizmente, este tipo de juntas não leva em conta os efeitos da dilatância e do aumento do atrito. Neste estudo, desenvolveu-se um método para produzir juntas rugosas não-persistentes dentro dos moldes de argamassa. Desta forma, conseguiu-se comparar os diferentes modos de ruptura, tanto para as juntas lisas como as rugosas. A configuração geométrica usada foi de 15 juntas com 'alfa' = 54 graus; 'beta' = 60 graus; Lj = Lb = 50mm e d = 25mm. Onde 'alfa' é o ângulo gerado entre o plano de uma junta e o plano formado entre as pontas de juntas não-coplanares, 'beta' é a inclinação da junta com respeito ao plano de tensão maior, Lb denota à distância entre juntas paralelas coplanares, Lj é o comprimento da junta e d é a distância entre juntas paralelas não coplanares. Estes parâmetros mantiveram-se constantes em todos os ensaios, tanto para as juntas lisas (JRC = 0) como as rugosas (JRC = 6,96 e JRC = 12,25). Usando os parâmetros acima mencionados, observou-se que o tipo de ruptura sempre aconteceu por escalonamento. Para as amostras contendo as juntas lisas, JRC = 0, o mecanismo principal de coalescência entre as juntas é a tração. Para estas juntas, os ângulos de início das fraturas, em média, resultaram de 64º e 65º para esquerda e direita, respectivamente. Em média, a resistência a compressão normalizada ('sigma'nor = 'sigma'1 - 'sigma'2 / 'sigma'cs; onde 'sigma'1 e 'sigma'2 são as tensões principais e 'sigma'cs é a resistência média à compressão simples) destes corpos de prova resultou ter o valor mais baixo, 'sigma'nor = 0,52, e a maior deformação, 'épsilon' = 0,0057. No caso das juntas com JRC = 6,7, a coalescência ocorreu tanto por tração como por cisalhamento, descrevendo um caminho ondulante entre as pontas das juntas. O ângulo médio de início das fraturas foi de 40º para o lado esquerdo e 48º para o lado direito. A resistência média normalizada destes corpos a compressão foi de 'sigma'nor = 0,54 e uma deformação de 'épsilon' = 0,0053. Com as juntas com JRC = 12,3, a coalescência também apresentou ambos os mecanismos, tração e cisalhamento, seguindo uma direção inclinada no início e trajetória reta no meio. Os ângulos de início obtidos foram 5º no lado esquerdo e 20º do lado direito. Os valores maiores de resistência média normalizada e o valor médio menor de deformação foram obtidos nestes tipo de juntas, sendo estes de 'sigma'nor = 0,59 e 'épsilon' = 0,0045. Verificou-se então que a rugosidade tem uma grande influência sobre a propagação da fratura, afetando grandemente o modo de coalescência, o ângulo de início de propagação das fraturas e a resistência e deformação total dos corpos de prova / The present experimental study was conducted to investigate the effect of joint roughness on the fracture propagation of models with non persistent joints. For this approach the parameters investigated are : coalescence, the crack initiation angle, the compressive strength and deformation of the mortar samples containing non-persistent rough joints under biaxial loading. There are many works in specialized literature that study the behavior of non-persistent smooth joints, unfortunately, this kind of approach does not take into account the effect of the dilation and the increase of friction due to the joint roughness. In this study, a new method was developed to produce non-persistent rough joints inside the mortar models. With this method it was possible to compare the different paths of rupture generated for the smooth and for the rough joints. Each sample had 15 joints with 'alfa' = 54º; 'beta' = 60º; Lj = Lb = 50mm and d = 25mm. Where 'alfa' is the formed angle between the joint plane and the plane generated by two non coplanar joint tips, 'beta' is the joint inclination angle with the principal plane stress, Lb is the distance between coplanar joints, Lj is the length of the joint, d is the distance between two non-coplanar joints. These parameters remained constant in all the tests; the only variation permitted was in the joint roughness : from smooth joints (JRC = 0) to rough joints (JRC = 6,96 and JRC = 12,25). Using the mentioned parameters before it was always obtained the stepping failure. For the samples containing smooth joints, JRC = 0, the main mechanism of coalescence is tension. For these joints the average crack initiation angles, had resulted of 64º and 65º for left and right side, respectively. The average normalized compression strength ('sigma'nor = 'sigma'1 - 'sigma'2 / 'sigma'cs; where 'sigma'1 and 'sigma'2 are the principal stresses and 'sigma'cs is the average compression strength) of these tests resulted to have the lowest value, 'sigma'nor = 0,52, and the highest deformation, 'épsilon' = 0,0057. In the case of joints with JRC = 6,7; the mechanisms of coalescence are tension and shear, growing in a waving path between the joint tips. The average crack initiation angle was of 40º for the left side and 48º for the right side of the joint. The average normalized compression strength of these tests was of 'sigma'nor = 0,54 and deformation 'épsilon' = 0,0053. With joints having JRC = 12,3; the coalescence also presents both mechanisms, tension and shear, following a direction inclined in the beginning and a straight line in the middle of the way. The crack initiation angles had been : 5º in the left side and 20º of the right side. The highest values of average normalized strength resistant and the lowest average value of deformation were found in this type of joint, being of 'sigma'nor = 0,59 e 'épsilon' = 0,0045 respectively. With this approach, it was verified that the joint roughness influence the fracture propagation, affecting the coalescence, the crack initiation angle, the resistance and total deformation of the tested specimens

A caracterização de um maciço rochoso constitui um passo essencial na geologia de engenharia, proporcionando a possibilidade de previsão do comportamento deste maciço frente às inúmeras solicitações de qualquer obra a ser realizada. No caso de obras subterrâneas urbanas, como linhas metroviárias, por exemplo, a caracterização geológico-geotécnica de maciços rochosos é fundamental para a identificação de condicionantes geológicos associados à sua estabilidade, sendo eficaz na determinação de parâmetros geotécnicos que influenciarão no projeto de escavação desse maciço, seja este através do método convencional (NATM) ou mecanizado, com o uso de tuneladoras (TBM). Feições estruturais como planos de foliação, dobras, falhas e sistemas de fraturas merecem atenção especial por estarem associadas a zonas de fraqueza, além de todas as características geomecânicas do maciço. Em zonas urbanizadas como a Região Metropolitana de São Paulo (RMSP) as condições geológicas, geomorfológicas e de ocupação dificultam a exposição e a identificação destas feições em superfície. Neste contexto foram desenvolvidas novas técnicas para facilitar o acesso às feições supracitadas. Dentre estas se encontra o televisionamento óptico (OPTV, OTV, Optical Televiewer), que consiste na obtenção de imagens 360º das paredes dos furos de sondagem, fornecendo o que pode ser considerado um testemunho virtual de sondagem. O televisionamento óptico é uma tecnologia introduzida no Brasil desde 2001, entretanto apenas recentemente tendo sido introduzido no manual de sondagens da ABGE (2013), contudo não havendo especificações sobre metodologia de aquisição, de interpretação e possibilidades de aplicação. Este trabalho apresenta sugestões para a aquisição destas imagens, sua interpretação e sugestões de aplicações em obras de engenharia, tendo como exemplo a aplicação em projetos de obras subterrâneas do Metrô de São Paulo. No caso específico de escavações subterrâneas urbanas, o conhecimento do subsolo é essencial, já que sua construção é uma atividade a ser desenvolvida dentro do contexto urbano, podendo provocar interferências significativas com a comunidade, implicando em um alto risco à população lindeira. Somado a isto há o fato de que um maciço pouco conhecido poderá implicar em contenções superdimensionadas, aumentando o custo da obra ou subdimensionadas, aumentando o seu risco. Conforme citado em ISRM (1978), à medida que as descrições de maciços rochosos e suas descontinuidades se tornem mais completas e unificadas, será viável projetar estruturas de engenharia em rocha reduzindo os gastos e aumentando a confiabilidade da interpretação e extrapolação dos resultados. / The rock mass characterization is an essential step in engineering geology, providing the possibility of performance prediction of this massive due to numerous requests of any work to be done. In the case of urban underground works, such as subway lines, for example, geological and geotechnical characterization of rock masses is critical for identifying geological conditions linked to its stability, being effective in determining the geotechnical parameters that influence the design of massive excavation, whether by the conventional method (NATM), or mechanized, using tunneling boring machines (TBM). Structural features such as foliation planes, folds, faults and fracture systems deserve special attention as they are associated with weakness zones in addition to all the geomechanical characteristics of the massif. In urbanized areas, such as São Paulo Metropolitan Region (RMSP), geological, geomorphological and occupation hinders exposure and identification of these features on the surface. In this context, new techniques have been developed to facilitate access to the above features. Among these new techniques is the optical televiewer (OPTV, OTV), which is to obtain 360° images of the borehole walls, providing what might be considered a virtual core of a borehole. The optical televiewer has been a technology introduced in Brazil since 2001, but only recently has been published in ABGE 1 Borehole Manual (2013), however, there are no specifications on the acquisition methodology, interpretation and application possibilities. This paper presents suggestions for the acquisition of these images, their interpretation and suggestions of applications in engineering works, taking as an example the design in projects of underground works of the São Paulo Metro. In the specific case of urban underground excavations ground knowledge is essential, since its construction is an activity to be developed within the urban context, which could cause significant interference with the community, resulting in a high risk to neighboring population. Added to this is the fact that a little-known mass can result in oversized contention, increasing the cost of the work or undersized, increasing its risk. As mentioned in ISRM (1978), as the descriptions of rock masses and discontinuities become more complete and unified, it will be feasible to design engineering structures in rock reducing the costs and increasing the reliability of the interpretation and extrapolation of the results.

Nesta tese o autor estabelece um método sistemático de quantificação de risco em obras subterrâneas em maciço rochoso fraturado utilizando de maneira eficiente conceitos de confiabilidade estrutural. O método é aplicado a um caso de estudo real da caverna da Usina Hidrelétrica Paulo Afonso IV, UHE-PAIV. Adicionalmente, um estudo de otimização de projeto com base em risco quantitativo também é apresentado para mostrar as potencialidades do método. A estimativa do risco foi realizada de acordo com as recomendações da Organização de Auxílio contra Desastres das Nações Unidas, UNDRO, onde o risco pode ser estimado como a convolução entre as funções de perigo, vulnerabilidade e perdas. Para a quantificação da confiabilidade foram utilizados os métodos de aproximação FORM e SORM com uso de acoplamento direto e de superfícies de resposta polinomial quadráticas. A simulação de Monte Carlo também foi utilizada para a quantificação da confiabilidade no estudo de caso da UHE-PAIV devido à ocorrência de múltiplos modos de falha simultâneos. Foram avaliadas as ameaças de convergência excessiva das paredes, colapso da frente de escavação e a queda de blocos. As funções de perigo foram estimadas em relação à intensidade da ameaça como razão de deslocamento da parede ou volume do bloco. No caso da convergência excessiva, um túnel circular profundo foi estudado com o intuito de comparar a qualidade de aproximação da técnica numérica (FLAC3D com acoplamento direto) em relação à solução exata. Erros inferiores a 0,1% foram encontrados na estimativa do índice de confiabilidade ß. Para o caso da estabilidade de frente foram comparadas duas soluções da análise limite da plasticidade contra a solução obtida numericamente. Já no caso de queda de bloco, verificou-se que as recomendações de parcialização do sistema de classificação geomecânica Q incrementa consideravelmente a segurança da escavação conduzindo a padrões da prática mais avançada, por exemplo, de um ß de 2,04 para a escavação a seção plena até 4,43 para o vão recomendado. No estudo de caso, a segurança da caverna da UHE-PAIV foi estudada perante a queda de blocos utilizando o software Unwedge. A probabilidade de falha individual foi integrada no comprimento da caverna e o conceito de sistema foi utilizado para estimar a probabilidade de falha global. A caverna apresentou uma probabilidade de falha global de 3,11 a 3,22% e um risco de 7,22x10-3 x C e 7,29x10-3 x C, sendo C o custo de falha de um bloco de grandes dimensões. O bloco mais crítico apresentou um ß de 3,63. No estudo de otimização foram utilizadas duas variáveis de projeto, a espessura do concreto projetado e o número de tirantes por metro quadrado. A configuração ótima foi encontrada como o par [t, nb] que minimiza a função de custo total. Também, um estudo de sensibilidade foi realizado para avaliar as influências de alguns parâmetros no projeto ótimo da escavação. Finalmente, os resultados obtidos sugerem que as análises quantitativas de risco, como base para a avaliação e gestão de risco, podem e devem ser consideradas como diretriz da prática da engenharia geotécnica, uma vez que estas análises conciliam os conceitos básicos de projeto como eficiência mecânica, segurança e viabilidade financeira. Assim, a quantificação de risco é plenamente possível. / In this thesis the author establishes a systematic method for quantifying the risk in underground structures in fractured rock masses using structural reliability concepts in an efficient way. The method is applied to the case study of the underground cavern of Paulo Afonso IV Hydroelectrical Power Station UHE-PAIV. Additionally, an optimization study was conducted in order to show a potential application of the method. The estimation of the risk was done according to the recommendations of the United Nations Disaster Relief Organization UNDRO where risk can be estimated as the convolution between the hazard, vulnerability and losses functions. FORM and SORM were used as approximation methods for the reliability quantification by means of Direct Coupling and Quadratic Polynomial Response Surfaces. A Monte Carlo simulation was also used to quantify the reliability of the cavern UHE-PAIV because of the presence of multiple failure modes in the numerical model. In this study 3 types of threads were evaluated: excessive wall convergence, face stability and wedge block fall. Hazard functions were built relative to the thread intensities such as wall convergence ratio or block size. In the case of excessive wall convergence a deep circular tunnel was studied meaning to compare the quality of the approximation of the reliability technique (FLAC3D with direct coupling) to the exact solution. Errors below 0.1% were found in the reliability index ß estimation. The reliability of the face stability was evaluated using two limit analysis solutions against the numeric estimation. For the block stability it was verified that the sequential excavation recommended by the Q system increases considerably the reliability of the excavation leading safety to modern standard levels, e.g. from a ß equal to 2.04 for a full section excavation to 4.43 for a partial excavation. In the case study of the UHE-PAIV, the reliability of the underground cavern was estimated using the commercial software Unwedge. The probability of failure of individual blocks was integrated along the length of the cavern and the concept of structural system was used to estimate the global probability of failure. The cavern presented a probability of failure of 3.11% to 3.22% and a risk of 7.22x10-3 x C and 7.29x10-3 x C - where C is the cost of failure of a large block. The critical individual block showed a ß equal to 3.63. The optimization was performed considering two design variables − liner thickness and number of bolt per square meter. The optimal design was found as the pair, [t, nb] which minimizes the total cost function. Also, a sensibility analysis was conducted to understand the influence of some parameters in the location of the optimal excavation design. Concluding, the results obtained here suggest that the quantitative risk analyses, as a base for the risk assessment and management, can and must be considered as a north for the practice of geotechnical engineering owing that these analyses reconcile the basic concepts of mechanical efficiency, safety and financial feasibility. Thus, risk quantification is fully affordable.