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The performance and safety assessment of geo-structures is strongly affected by uncertainty; that is, both due a subjective lack of knowledge as well as objectively present and irreducible unknowns. Due to uncertainty in the non-linear variation of the matric suction induced effective stress as a function of the transient soil-atmosphere boundary conditions, the unsaturated state of the subsoil is generally not accounted for in a deterministic slope stability assessment. Probability theory, accounting for uncertainties quantitatively rather than using "cautious estimates" on loads and resistances, may aid to partly bridge the gap between unsaturated soil mechanics and engineering practice. This research investigates the effect of uncertainty in soil property values on the stability of unsaturated soil slopes. Two 2D Finite Element (FE) programs have been developed and implemented into a parallelised Reliability-Based Design (RBD) framework, which allows for the assessment of the failure probability, failure consequence and parameter sensitivity, rather than a deterministic factor of safety. Utilising the Random Finite Element Method (RFEM), within a Monte Carlo framework, multivariate cross-correlated random property fields have been mapped onto the FE mesh to assess the effect of isotropic and anisotropic moderate heterogeneity on the transient slope response, and thus performance. The framework has been applied to a generic slope subjected to different rainfall scenarios. The performance was found to be sensitive to the uncertainty in the effective shear strength parameters, as well as the parameters governing the unsaturated soil behaviour. The failure probability was found to increase most during prolonged rainfall events with a low precipitation rate. Nevertheless, accounting for the unsaturated state resulted in a higher slope reliability than when not considering suction effects. In a heterogeneous deposit failure is attracted to local zones of low shear strength, which, for an unsaturated soil, are a function of both the spatial variability of soil property values, as well as of the soil-water dynamics, leading to a significant increase in the failure probability near the end of the main rainfall event.

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

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The development of rapid assessment protocols that work with indicators of erosion brittleness of river embankments, aims to relate parameters and provide diagnostics to assist in the management of water resources. Providing a new tool to be explored, with great possibility to be adopted as a method of practice and to generate reliable results. This research deals with the study of the Rapid Assessment Protocol (RAP) derived from the doctoral thesis "Indicators Brittleness Erosion in support of definition of Permanent Preservation Areas in rivers" of Josita Soares Monteiro, presented in 2014. The RAP consists of admittedly influential parameters on the stability of river embankments - vegetation; soil texture; stretch of the river; slope inclination; soil depth in slope; width of the stream and use and land cover - and of weights / notes concerning the characteristics of these parameters. As a result, the protocol provides a gradual classification concerning the state of "susceptibility to erosion" of the banks of the stream of Val Buia in Silveira Martins/RS, where this research was conducted. Amplification of the weight assigned to the parameters that make up the RAP of Monteiro (2014); performing a sensitivity analysis on RAP parameters in order to identify those that provide greater relevance in its final outcome; the implementation of changes in the criteria and structure of RAP and its reuse in the thesis study area, the stream Val Buia; and comparing the results of the original PAR with the PAR reapplied were the objectives of the study. The increase made on the weights of RAP parameters did not change the result of the classification of the sampling units in the categories of susceptibility to erosion. Sensitivity analysis demonstrated that the most sensitive parameters to changes in their weights are the highest scored, and, consequently, features which provide high susceptibility to erosion of the river embankments. The protocol used in the study area had partially similar result to that of Monteiro (2014). In order to better target the interpretations regarding the description of the area observed during visual assessment, it is suggested the preparation of well-defined characterization and typologies of measures for the RAP parameters evaluated. The addition of a new parameter in the protocol of Monteiro (2014) - the "river longitudinal profile" parameter - could provide better assessment of the areas that are affected by successive floods. Several fronts related to the assessment of the physical and environmental conditions of river embankments, such as environmental zoning, recovery projects of degraded areas and recovery of riparian forests may make use of the methodology proposed by RAP, as well as adding subsidies to the formulation and execution of natural engineering works aimed at stabilizing the banks of waterways. / O desenvolvimento de protocolos de avaliação rápida, que trabalham com indicadores de fragilidades à erosão de taludes fluviais, tem o objetivo de relacionar parâmetros e fornecer diagnósticos para auxiliar na gestão dos recursos hídricos. Constituindo uma nova ferramenta a ser explorada, com grande possibilidade de ser adotada como um método de utilização prática e geradora de resultados confiáveis. A presente pesquisa trata do estudo do Protocolo de Avaliação Rápida (PAR) oriundo da tese de doutorado Indicadores de Fragilidade à Erosão no apoio à definição de Áreas de Preservação Permanente em rios de Josita Soares Monteiro, apresentada em 2014. O referido PAR é constituído de parâmetros reconhecidamente influentes na estabilidade de taludes fluviais - vegetação; textura do solo; trecho do rio; inclinação do talude; profundidade do solo no talude; largura do curso d água e uso e cobertura da terra e de pesos/notas relativos ás características desses parâmetros. Como resultado, o protocolo apresenta uma classificação gradual com relação ao estado de suscetibilidade à erosão das margens do arroio Val de Buia em Silveira Martins/RS, no qual esta pesquisa foi realizada. A amplificação do peso atribuído aos parâmetros que compõem o PAR de Monteiro (2014); a realização de uma análise de sensibilidade sobre parâmetros do PAR com o propósito de identificar os que proporcionam maior relevância no seu resultado final; a implementação de mudanças nos critérios e estrutura do PAR; sua reaplicação na área de estudo da tese; e a comparação dos resultados do PAR original com o PAR reaplicado foram os objetivos do estudo. A ampliação realizada sobre os pesos dos parâmetros do PAR não alterou o resultado da classificação das unidades amostrais nas categorias de suscetibilidade à erosão. A análise de sensibilidade demonstrou que os parâmetros mais sensíveis às variações dos seus pesos são os de maior nota, e, consequentemente, características que conferem grande suscetibilidade a erosão dos taludes fluviais. O protocolo reaplicado na área de estudo apresentou resultado parcialmente semelhante ao de Monteiro (2014). Afim de melhor direcionar as interpretações quanto à descrição da área observada durante a avaliação visual, sugere-se a elaboração de caracterizações e tipologias de medidas bem definidas para os parâmetros avaliados no PAR. O acréscimo de um novo parâmetro no protocolo de Monteiro (2014) - o parâmetro trecho longitudinal - poderá proporcionar melhor avaliação das áreas que são acometidas por sucessivas inundações. Várias frentes relacionadas à avaliação das condições físico-ambientais dos taludes fluviais, tais como: zoneamentos ambientais, projetos de recuperação de áreas degradadas, de recuperação de matas ciliares poderão lançar mão da metodologia proposta pelo PAR, assim como acrescentar subsídios à formulação e execução de obras de engenharia natural direcionadas à estabilização das margens dos cursos d água.

[pt] Visando avaliar uma ferramenta numérica efetiva para resolução de problemas de estabilidade tridimensionais, a análise limite numérica foi estudada neste trabalho. Sua abordagem numérica requer o uso tanto do método dos elementos finitos quanto de programação matemática. Isto porque os teoremas da plasticidade, base da análise limite, podem ser colocados como problemas de otimização. No teorema do limite inferior, por exemplo, se deseja maximizar o fator de colapso, com o solo sujeito a condições de equilíbrio e ao critério de ruptura. O critério de ruptura utilizado foi o de Drucker-Prager. Neste trabalho, fez-se uso da programação cônica quadrática, conhecida por possibilitar a resolução de problemas de grande escala com muita eficiência. Empregou-se, para tanto, o solver Mosek. Além de ser possível determinar o fator de colapso, também se desenvolveu um método para calcular o fator de segurança da encosta. Ele reduz sucessivamente os parâmetros de resistência do solo, através do método de Newton-Raphson. Em casos de geometrias mais complexas, a formulação do problema teve que ser modificada. Uma força horizontal fictícia foi adicionada na condição de equilíbrio e unicamente ela foi majorada com o fator de colapso. Foi apenas através desta formulação que se pode simular a estabilidade de solos submetidos ao efeito de poropressão. A análise de fluxo foi simulada a parte no programa de elementos finitos desenvolvido por Miqueletto (2007). A resistência do solo depende dos valores de poropressão, que caracterizam os solos como saturados ou não saturados. / [en] Numerical limit analysis was studied in order to evaluate an effective numerical procedure to solve three-dimensional slope stability problems. This numerical approach utilizes finite element method and mathematical programming. Mathematical programming is needed because the plasticity theorems, basic theorems for limit analysis, can be cast as optimization problems. The lower bound theorem consists of finding the maximum collapse multiplier that will lead the soil to the imminence of collapse. The soil will still be restricted to equilibrium conditions and the yield criterion will have to be satisfied everywhere. Drucker- Prager was the yield criterion chosen. In this thesis, the optimization problem is reformulated as a second order cone programming (SOCP). SOCP is known to solve large-scale problems with great computational efficiency and we used the solver Mosek. The model calculates not only the collapse multiplier, but also the safety factor for the slope. A strength reduction scheme was proposed, based on the Newton-Raphson method. For complex geometries cases, a novel formulation was developed. A fictitious horizontal force was added at the equilibrium equation and uniquely this force was increased by the multiplier factor. It was only through this reformulation that it was possible to assess stability of slopes subjected to porepressure effects. The groundwater flow was simulated separately in a finite element program developed by Miqueletto (2007). The soil strength depends on porepressure values, which define soils as saturated or unsaturated.

Os escorregamentos de taludes de corte rodoviários verificados na região entre as cidades de Jarinu e Campo Limpo Paulista, ambas no estado de São Paulo, são derivados da atuação conjunta do intemperismo, da presença de estruturas reliquiares, e sua geometria, e das técnicas construtivas. Dentre estes fatores, as estruturas reliquiares (foliação e fraturas) desempenham o papel mais importante, pois os escorregamentos ocorrem quando há incompatibilidade entre as atitudes das estruturas e a geometria dos taludes de corte facilitando os escorregamentos, principalmente quando a face de taludes é paralela ou subparalela à foliação e esta mergulha na direção da estrada. O levantamento destas estruturas, utilizando-se em conjunto produtos de sensoriamento remoto, que possibilita a elaboração de uma análise geométrica regional, que também se aplica em escala de afloramento, pois as estruturas geológicas, em qualquer escala, apresentam feições em comum. Os produtos gerados são mapas de forma estrutural, de traços de fraturas e o estabelecimento de setores homogêneos baseados nas diferentes direções da foliação. Nos vários taludes estudados, são elaborados estereogramas que permitem a visualização espacial das descontinuidades. Com base nestes produtos, são feitas previsões de instabilidades, através de uma simulação de três direções de traçados rodoviários, onde são avaliadas as possibilidades de ocorrência de instabilidades. Os resultados obtidos em dados regionais são confrontados com os dados extraídos em campo nos vários taludes estudados, para a obtenção da aplicabilidade da metodologia utilizada. / The sliding of highways cut slopes verified between Jarinu and Campo Limpo Paulista, both in São Paulo state, region are originated of action ensemble of weathering, relicts structures presence, geometric and the constructive characteristics. Among them, the relict structures (foliation and fractures) perform the very important hole, because the sliding is effective when there is incompatibility between spacial attitudes of structures and the geometry of cut slopes. In the great number, the geometry of cut slopes facility the sliding, mainly when the slopes surface is parallel or sub parallel to foliation, diverging to the highway bed. The investigation of structures together with remote sensing images enables the elaboration of a geometrical analysis, applicable in outcrop scale, as geological structures in any scale, ranging from microscopical up to regional, have common features. The mapping of joints and foliation were made and well-defined sectors were separated, on the basis of different foliation attitudes. Stereographic nets were made for all slopes studied and the efficiency of graphical stability analysis in saprolitos was estimated, where there is a significant action of erosion processes. Lastly, the possibility of slides and erosional processes within the several sectors is evaluated, along three possible different highway directions. The predicted results, based on regional data, are compared to field data, obtained in the slopes, in order to confirm the applicability of the method under investigation.

A presença de encostas com solos na condição não saturada é muito comum na região Sudeste brasileira devida às características climáticas e hidrogeológicas regional. Neste caso, o mecanismo de instabilização pode ser basicamente descrito pela redução da coesão aparente provocada pela infiltração da água da chuva, causada pela diminuição ou até mesmo a anulação dos efeitos da sucção matricial, tornando o talude instável. O presente trabalho apresenta um estudo dos mecanismos instabilizadores em um talude de corte composto por solo residual arenoso localizado na Rodovia Luis Augusto de Oliveira (SP-215) no km 179+300 LE, próximo ao município de Ribeirão Bonito, Brasil. Neste trabalho foi realizado um levantamento dos dados e das propriedades do solo (física, mecânica e hidráulica) da área piloto utilizando métodos de investigação geológico-geotécnica de superfície (levantamento topográfico de detalhe, caminhamentos) e de subsuperfície (sondagem a trado e poços com coleta de amostras); ensaios de laboratório e de campo (índices físicos do solo, resistência ao cisalhamento, permeabilidade); instrumentação e monitoramento (piezômetro, pluviômetro e tensiômetro) e modelagem numérica (análises da infiltração da água da chuva e de estabilidade de talude). Na área investigada ocorrem solos residuais dos arenitos eólicos da Formação Botucatu (Grupo São Bento, Bacia Sedimentar do Paraná) de idade jurássico-cretácea. As modelagens numéricas realizadas no programa GeoStudio versão 2012 (Seep/W e Slope/W) confirmaram que é possível ocorrer deslizamentos rasos de solo somente pela redução da sucção e perda de coesão aparente. As modelagens do fluxo da água infiltrada no talude apresentaram resultados divergentes das leituras registradas pelos tensiômetros instalados no talude monitorado e os fatores de segurança mostraram serem bem superiores ao unitário, mesmo ocorrendo chuvas de alta intensidade pluviométrica. Estas modelagens numéricas também permitiram estabelecer a configuração geométrica crítica (altura e inclinação) para os taludes de corte em solo residual arenoso da Formação Botucatu. / The presence of slopes with soil in the unsaturated condition is very common in Brazil\'s Southeast region due to climate and regional hydrogeological characteristics. In this case, the instability mechanism can be basically described by the apparent cohesion loss caused by the rainfall infiltration that induced by the reduction or even annulling the effect of matric suction, making the slope conditionally unstable. This paper presents a study of instabilizing mechanisms in a cut slope composed of sandy residual soil located on Highway Luis Augusto de Oliveira (SP-215) at km 179 + 300 LE, near Ribeirão Bonito, Brazil. This work was carried out a survey of the data and soil properties (physical, mechanical and hydraulic) of pilot area using geological and geotechnical research techniques of surface (topographic survey) and subsurface (soil sampling and hand auger drilling); laboratory and field tests (physical indices soil, shear strength, permeability); instrumentation and monitoring (piezometer, rain gauge and tensiometer) and numerical modelling (analysis of rainfall infiltration and slope stability). In the investigated area occur residual soils of aeolian sandstones of Botucatu Formation (São Bento Group, Paraná Sedimentary Basin) Jurassic- Cretaceous age. The numerical modelling performed in GeoStudio version 2012 (Seep/W and Slope/W) confirmed that it is possible to have shallow soil slips just reducing the suction loss and apparent cohesion. The modelling of the infiltrated water flow on the slope showed conflicting results of the readings recorded by tensiometers installed on the monitored slope and the safety factors shown to be well above the unit, even occurring high intensity rainfall. These numerical models also allowed to establish the geometric critical configuration (height and slope angle) for cut slopes in a sandy residual soil of Botucatu Formation.

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

Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico

Pore water pressure in a silt slope in Sollefteå, Sweden, was measured from 2009-2016. The results from2009-2012 were presented and evaluated in a publication by Westerberg et al. (2014) and this report is an extension of that project.In a silt slope the pore water pressures are generally negative, contributing to the stability of theslope. In this report the pore water pressure variations are analyzed using basic statistics and a connection between the pore water pressure variations, the geology and parameters such as temperature, precipitation and soil moisture are discussed.The soils in the slope at Nipuddsvägen consists of sandy silt, silt, clayey silt and silty clay. The main findings were that at 2, 4 and 6 m depth there are significant increases and decreases in the pore water pressure that can be linked with the changing of the seasons, for example there is a significant increase in the spring when the ground frost melts. As the seasons change, so do the temperature and amount and type of precipitation. Other factors that vary with the season are the amount of net radiation, wind speed and relative humidity, all of which affect the amount of evapotranspiration. At greater depths the pore water pressue is most likely affected by a factor/factors that varies from year to year, possibly the total amount of rainfall. Therefore, the anticipated increase in precipitation in Scandinavia due to climate change could be an important factor influencing slope stability.What precipitation, temperature and evapotranspiration have in common is that they affect the amount of water infiltrating the soil, and thereby the soil moisture content. How the soil moisture is distributed and flows through the soil (sub-surface flow) is governed by the different soil types and their mutual order in the slope, as well as by factors affecting the structure of the soil, e.g. animal burrows and aggregation. The formation of ground frost also affects the way in which the water present in the soil is redistributed.At c. 14 m depth in the slope, there is a saturated layer with positive pore water pressures, which could be one of several such layers. The overall groundwater situation in a silt slope is complex; several different bodies of water can develop, and to get a complete picture of the ground water situation (andthereby also the pore water pressure variations) thorough hydrological surveys are needed. / Under  2009-2016  mättes  porvattentrycket  i  en  siltslänt  i  Sollefteå.  Resultaten  från  2009-2012presenterades och utvärderades i en publikation av Westerberg et al. (2014) och detta examensarbete är en förlängning av det projektet.I en siltslänt är porvattentrycket vanligtvis negativt vilket bidrar till stabiliteten i slänten. I den härrapporten är variationerna av porvattentrycket analyserade med hjälp av enkel statistik och en koppling mellan variationerna och geologin samt parametrar så som temperatur, nederbörd och fukthalt i marken diskuteras.Jordarterna i slänten vid Nipuddsvägen består av sandig silt, silt, lerig silt och siltig lera. Slutsatsen var att på 2, 4 och 6 m djup ökade och minskade porvattentrycket med årstiderna, till exempel ökade porvattentrycket signifikant vid tjällossningen. När årstiderna skiftar ändras även temperaturen och mängden, och typen, av nederbörd. Andra faktorer som varierar över året är netto-instrålningen, vindhastigheten och den relativa fuktigheten och dessa faktorer påverkar i sin tur evapotranspirationen. På större djup beror antagligen portrycksvariationerna på någon eller några faktorer som skiljer sig åt från år till år, möjligtvis den totala mängden nederbörd. Därmed skulle den ökade nederbörd som förväntas i Skandinavien på grund av klimatförändringarna kunna påverka släntstabiliteten.Vad nederbörd, temeperatur och evapotranspiration har gemensamt är att de påverkar mängden vatten som infiltrerar marken, det vill säga de påverkar markens fukthalt. Hur vattnet är födelat i marken beror på de olika jordarterna och deras inbördes ordning i slänten, men också av faktorer som påverkar markens struktur så som aggregation och uppluckring av jorden på grund av marklevande djurs aktivitet. Även formationen av tjäle på vintern har troligtvis en viss inverkan på hur vattnet i marken omfördelas.På 14 m djup finns ett vattenmättat lager med positiva porvattentryck vilket skulle kunna vara ett av flera sådana lager. I en siltslänt är grundvattensituationen mycket komplex, flera magasin av vatten kan bildas. För att få en bra bild av grundvattensituationen (och där med också porvattentrycksvariationerna)behöver noggranna hydrologiska undersökningar genomföras.