Three-dimensional analysis of geotechnical structures subject to reinforcement and drainage

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2008.Este trabalho visa o desenvolvimento e o aperfeiçoamento de técnicas numéricas que auxiliem no estudo do comportamento de estruturas geotécnicas tais como túneis, escavações a céu aberto e obras de contenção. Entre as medidas estabilizantes neste tipo de estruturas é comum a aplicação de reforços de geometria linear, tais como ancoragens e grampos. Adicionalmente, é utilizada também a aplicação de drenos com a finalidade de reduzir as poropressões e, conseqüentemente, aumentar as tensões efetivas. A técnica do Solo Grampeado é um claro exemplo da aplicação conjunta destas medidas de estabilização. O método dos elementos finitos (MEF) é a ferramenta numérica mais comumente utilizada na análise deste tipo de obra. No entanto, o uso deste método na simulação de inclusões de geometria linear não é uma tarefa simples. Inicialmente, a geração da malha de elementos finitos de uma análise convencional, especialmente em condições tridimensionais, é muito mais complicada e dispendiosa em termos de tempo na presença de inclusões. Isto torna mais complicada a análise de diferentes alternativas na fase de projeto, uma vez que cada configuração de inclusões em estudo demanda a geração de uma nova malha. Neste sentido, este trabalho estuda técnicas nas quais é permitido que as inclusões atravessem os elementos sólidos. Desta maneira, é possível analisar diferentes configurações de reforços e drenos utilizando uma única malha de fundo. Uma das técnicas estudadas corresponde ao método denominado embutido. Denomina-se assim porque a rigidez ou permeabilidade das inclusões é incorporada ou embutida nos elementos sólidos atravessados. No entanto, este método apresenta algumas desvantagens como a dificuldade de simular a interface solo-reforço e a dificuldade na aplicação de condições de contorno nas inclusões. Para superar estes inconvenientes, é apresentado um novo método denominado semi-embutido. Neste caso, as inclusões são conectadas à malha por meio de elementos de interface. Tais elementos de interface possuem um extremo conectado à inclusão e o outro extremo é ancorado num elemento da malha. Desta maneira, torna-se possível a simulação do contato solo-reforço e a aplicação de condições de contorno nas inclusões. Por outro lado, o estudo do efeito conjunto de reforços e drenos no comportamento de um maciço só é possível através de uma análise de deformação e fluxo acoplados. Neste tipo de análise é conveniente considerar o fluxo não saturado para avaliar a posição da linha freática. Por esta razão, torna-se necessária a modelagem do solo não saturado. No desenvolvimento deste trabalho, foi necessária a implementação e validação do programa de elementos finitos para a realização de análises acopladas incluindo a modelagem do solo não saturado. Este programa serviu de base para as implementações das técnicas de simulação de inclusões como reforços e drenos. Finalmente, foram realizadas análises de taludes hipotéticos com o objetivo de avaliar o efeito das inclusões e as disposições de reforço e drenos que representam maior contribuição na estabilidade do maciço. ____________________________________________________________________________________ ABSTRACTThe behavior of geotechnical retaining structures is studied in this work. The application of linear shape inclusions like nails and drains is one of the techniques to improve the stability conditions of this kind of structures. In addition, the application of sub-horizontal drains is a common solution to reduce the pore-pressure and consequently to increase the effective stresses. The Soil Nailing technique is one example of the combined application of this type of techniques. It is common to use the finite element method (FEM) to simulate this application. However, using the FEM to simulate structures that include linear shaped inclusions is not a trivial task. Initially, the mesh generation in a conventional analysis of this type, especially on three-dimensional conditions, becomes complicated due to the difficult of considering the inclusions in the analysis. The study of different possible alternatives during this preliminary analysis is an even harder task because every new inclusions configuration demands a new finite element mesh. The aim of the present work is to study techniques to simulate the behavior of geotechnical retaining structures where the inclusions can trespass the solid elements from the FEM mesh. This turns possible to analyze different inclusions configurations such as reinforcements and drains using only one background mesh. One of these techniques is the embedded method. In this method the inclusions’ stiffness or permeability are embedded into the trespassed solid elements. However, this method presents some difficulties such as simulating the soil-reinforcement interface and the application of boundary conditions. To overcome these disadvantages a new method (the semi-embedded method) is presented. In this method, the inclusions are connected to the mesh via interface elements. These interface elements have one node connected to the inclusion and the other one is anchored into a solid element. So, it is possible to simulate the soil-reinforcement contact and the application of boundary conditions in the inclusions. The study of the simultaneous effect of reinforcements and drains on the soil mass behavior also becomes possible through a deformation - flow coupled analysis. The consideration of unsaturated flow is convenient in this kind of analysis to evaluate the location of the phreatic line. To achieve the main goals of this work, it was necessary the implementation and validation of a finite element program to carry out coupled analysis including the unsaturated soil modelling. This program was used to implement and validate the studied techniques. Finally, some simulations were carried out using hypothetical slopes to evaluate the inclusions’ effect and the best drains and reinforcements configurations for the stability of the soil mass