Análise da Ruptura de Taludes pelo Mecanismo de Step-Path Via Elementos Finitos

Fazer Download...

Publicada em 19/12/2016

Discente: Cesar Romero Oscamayta

Resumo:

Na análise de estabilidade de taludes rochosos em 2D, ocorrem diferentes mecanismos de ruptura influenciados pelas descontinuidades pré-existentes, sendo os mais estudados aqueles gerados exclusivamente por descontinuidades persistentes (ruptura planar, em cunha e tombamento), para os quais existem métodos de cálculo analíticos bem estabelecidos do fator de segurança (FS). Tais mecanismos ocorrem geralmente em taludes de pequeno porte. Para taludes de médio a grande porte, a persistência das descontinuidades não é sempre suficiente para abranger toda a escala do talude e desenvolvem-se mecanismos do tipo “Step-Path”, que envolvem, necessariamente, tanto as descontinuidades como pontes de rocha intacta entre elas. No presente estudo são considerados taludes com alturas de 45,0 m, 75,0 m, 135,0 m e 270,0 m, ângulo de talude de 70º e inclinações do plano de ruptura de 20º, 30º, 45º e 60º. Foram estudadas configurações de descontinuidades coplanares e inclinadas em relação ao plano de ruptura, com ângulos das descontinuidades inclinados de 20º, 30º, 45º e 60º, pontes de rocha intacta com comprimentos de 2,50 m, 5,00 m e 10,00 m e faixa de variação do comprimento das descontinuidades de 2,98 m a 56,71 m. Os métodos empregados para se determinar os FS na análise de estabilidade foram: elementos finitos com as técnicas de SSR (Shear Strength Reduction) e GIM (Gravity Increase Method) e equilíbrio limite por Jennings (1970). Utilizou-se o programa PHASE 2D v.8.0 na análise numérica de 360 taludes, com modelo elasto-plástico perfeito, e, para o cálculo analítico de Jennings (1970), foram analisados 300 taludes em planilhas de EXCEL 2013. Das comparações de FSs entre os métodos SSR, GIM e de Jennings (1970), o método GIM apresentou valores muito mais elevados que os demais. Comparados apenas os métodos SSR e de Jennings (1970), encontraram-se FSs próximos para planos de ruptura com inclinações entre 30º e 45º. Realizaram-se também 84 modelagens para taludes de 270,0 m, 525,0 m e 705,0 m de altura, ângulo de talude de 50º e duas famílias de descontinuidades, considerando-se, além das forças de massa, as tensões in situ com razões entre a tensão horizontal e a vertical (K) de 0,43, 1,00 e 2,00. Observou-se que os FSs determinados, os deslocamentos totais no pé do talude e as tensões de tração que aparecem na crista dos taludes aumentam à medida que K aumenta. Portanto, das análises para taludes com uma e duas famílias de descontinuidades, percebeu-se que não é grande a diferença de FSs obtidos por SSR e Jennings (1970) para planos de inclinação que variam entre 30º a 45º, e que à medida que diminuem o comprimento das descontinuidades e as pontes de rocha intacta aumentam, os FS também aumentam, como esperado. Notou-se também que à medida que a altura dos taludes aumenta os FSs diminuem, devido ao efeito do fator de escala.

Abstract:

In the 2D rock slope stability analysis, occurs different failure mechanisms influenced by pre-existing discontinuities, being the most studied, those generated exclusively by persistent discontinuities (planar, wedge and toppling failures), for which exist wellestablished analytical calculation methods of the safety factor (SF). Such mechanisms usually occur on small slopes. For medium to large slopes, the persistence of discontinuities isn’t always sufficient to cover the entire slope scale and "Step-Path" mechanisms are developed, which necessarily involve both, the discontinuities and intact rock bridges between them. In the present study, slopes with heights of 45.0 m, 75.0 m, 135.0 m and 270.0 m, slope angle of 70º and failure plane angles of 20º, 30º, 45º and 60º are considered. Were studied coplanar and inclined discontinuities configurations with discontinuities angles of 20º, 30º, 45º and 60º, intact rock bridges with lengths of 2, 50 m, 5,00 m and 10,00 m and the range of variation of the length of the discontinuities of 2.98 m to 56.71 m. The methods employed to determine the SF in the stability analysis were: finite elements with techniques of Shear Strength Reduction (SSR) and GIM (Gravity Increase Method) and the limit equilibrium method by Jennings (1970). The PHASE 2D v.8.0 program was used for 360 numerical analyzes on slopes, with an ideal elastic-plastic model, and, for the analytical calculations with Jennings (1970) method, 300 slopes were analyzed in EXCEL 2013 worksheets. From the comparisons of SFs between the SSR, GIM and Jennings (1970) methods, the GIM method presented values much higher than the others. Comparing only the methods SSR and Jennings (1970), close SFs were found for failure planes with angles between 30º and 45º. 84 modeling was also performed for slopes with heights of 270.0 m, 525.0 m and 705.0 m, slope angle of 50° and two sets of discontinuities, considering, in addition to the body forces, in situ stresses with ratios of horizontal to vertical stress (K) equal to 0.43, 1.00 and 2.00. It was observed that the obtained SFs, the total displacements at the foot of the slope and the tensile stresses that appears at the crest of the slopes increase as K increases. Therefore, from the slope analyzes with one and two sets of discontinuities, it was noticed that the difference of SFs obtained by SSR and Jennings for slope planes ranging from 30º to 45º is not great, and that as the length of the discontinuities decrease and the intact rock bridges increase, the SFs also increase, as expected. It was also noted that as the height of the slopes increases, the SFs decreases, due to the effect of the scale factor.

Palavras-chave:

Elementos Finitos; Taludes; Mecânica das Rochas; Step-path; Coalescência; Equilíbrio-limite.

Áreas de Concentração:

- Geotecnia

Orientadores:

- Rodrigo Peluci de Figueiredo

Outros Participantes:


Nucleo de Geotecnia da Escola de Minas | Campus Universitário Morro do Cruzeiro, S/N | Ouro Preto/MG - 35.400-000
Mestrado Acadêmico / Doutorado - 031 3559-1164
Mestrado Profissional - 031 3559-1508