Análise numérica de escavação em rochas salinas com possibilidade de reativação de falhas via técnica de descontinuidades fortes

FACEPEOs geomateriais quando submetidos a variações no estado de tensões tendem a apresentar um comportamento tensão deformação inelástico que pode se mostrar complexo, envolvendo processos de fluência, com endurecimento ou abrandamento podendo levar à ruptura. No processo de escavação de evaporitos submetidos a tensão constante ocorre o fenômeno de fluência que pode influenciar o comportamento de rochas adjacentes. Com o objetivo de prever esse comportamento vêm sendo desenvolvidos modelos constitutivos e formulações numéricas os quais são empregados em modelagem computacional através de métodos aproximados como, por exemplo, o método dos elementos finitos. Nesse trabalho foi avaliada a influência das deformações de rochas evaporíticas sobre rochas adjacentes naturalmente fraturadas. Para isso, na modelagem numérica, adotou-se nas rochas salinas o modelo de fluência (creep) LUBBY 2, e para as descontinuidades da rocha considerou-se um modelo elasto-plástico de Drucker-Prager aliado a uma técnica de descontinuidades fortes embebidas. O objetivo é verificar a reativação da descontinuidade em decorrência das deformações da rocha salina como consequência da escavação de galerias para extração de minérios. Para isso, neste trabalho, foi validada e aplicada uma técnica de simplificação do algoritmo de integração de tensões implícita para o IMPLEX no programa em elementos finitos in house CODE-BRIGHT. Esse algoritmo tem a inovação de utilizar as relações constitutivas do passo de tempo anterior para calcular o multiplicador plástico do passo de tempo atual, dessa forma ganhando eficiência computacional, mas podendo perder em precisão, seguindo com o cálculo implícito das relações constitutivas do passo de tempo atual. A fim de validar o algoritmo IMPLEX e avaliar a sensibilidade ao incremento de tempo e à tolerância associada ao mesmo foi modelado o caso de Expansão de cavidade, que mostrou a conformidade entre a solução numérica e a solução analítica com cerca de 1% de erro relativo. Também foi avaliada a sensibilidade do algoritmo à estrutura da malha de elementos finitos discretizada com o caso de Cisalhamento Direto no qual se observou uma limitação no algoritmo em função do alinhamento dos elementos da descontinuidade. Para analisar a sensibilidade do algoritmo à direção da descontinuidade embebida foi simulado o caso de Compressão Uniaxial. E para confirmar a sensibilidade do algoritmo à tolerância associada ao incremento de tempo, foi realizado o caso de Estabilidade de Talude, no qual se verificou o padrão na escolha da tolerância. Por fim, o caso principal desse trabalho que é a análise do comportamento de uma descontinuidade existente em um 8cenário fictício de uma escavação de minas em rochas evaporíticas (análogas às rochas da Mina Taquari Vassouras localizada no estado de Sergipe, Brasil) a grandes profundidades (1.200 metros) demonstra a possibilidade de reativação de falhas por cisalhamento em dois cenários, uma frente de escavação e uma escavação de uma mina em galeria. Nesses casos foi observado que a geometria da escavação e o posicionamento da falha possuem influência na sua reativação, quanto maior o vão da escavação mais rápida é reativada a falha e quanto mais a escavação avança na direção da falha, mais as tensões são transmitidas de modo que um menor estado de tensão já permite reativar a falha.The geomaterials when subjected to variations in the state of stresses tend to present an inelastic strain behavior that may be complex, involving creep processes, with hardening or softening and rupture may happen. Digging evaporites under constant tension occurs the creep phenomenon that can influence the behavior of adjacent rocks. In order to predict this behavior, constitutive models and numerical formulations have been develop to be used in computational modeling through approximate methods such as the finite element method. In this work the influence of the evaporitic rocks deformation on naturally fractured rocks was evaluated. For this purpose, in the numerical modeling, the LUBBY 2 creep model was adopted in the saline rocks, and for discontinuities a Drucker-Prager elastoplastic model was considered, together with a strong embedded discontinuity technique. The objective is to verify the reactivation of the discontinuity due to the deformations of the salt rock as a consequence of the excavation of galleries for extraction of ores. In this work, a simplification technique of the implicit stress integration algorithm for IMPLEX in the in-house CODE-BRIGHT finite element program was validated and applied. This algorithm has the innovation of using the constitutive relations of the previous time step to calculate the plastic multiplier of the current time step, therefore reaching computational efficiency but being able to lose in precision, following with the implicit calculation of the constitutive relations of the time step current. In order to validate the IMPLEX algorithm and evaluate the sensitivity regarding the time increment and the associated tolerance, the Cavity Expansion case was modeled, which showed the conformity between the numerical solution and the analytical solution with about 1% relative error. It was also evaluated the sensitivity of the algorithm regarding the finite element mesh structure with the case of Direct Shear in which a limitation was observed as a function of the elements alignment of the discontinuity. To analyze the sensitivity of the algorithm about the embedded discontinuity direction, the case of Uniaxial Compression was simulated. And in order to confirm the sensitivity of the algorithm to the tolerance associated to the increment of time, the case of Slope Stability was carried out, in which the standard in choice of tolerance was verified. Finally, the main case of this work is the analysis of the behavior of a discontinuity existing in a fictitious scenario of a mine excavation in evaporitic rocks (analogous to the rocks of the Taquari Vassouras Mine located in the state of Sergipe, Brazil) in high depths (1,200 meters) demonstrates the possibility of reactivation of shear failures in two scenarios, an excavation front and an excavation of a gallery mine. In these cases, it was observed that the geometry of the excavation and the positioning of the fault have an influence on its reactivation, the larger the interspace the faster fault is reactivated and the more excavation advances towards the failure, the more tensions are transmitted, thereby lower tensions already allows the fault reactivation