Elasto-plastic analysis of tunnels in soil using the finite element method

Um método para a análise bidimensional de túneis rasos em solo. Uma das etapas importantes no projeto destas obras consiste na previsão dos deslocamentos provocados pela execução de túneis, principalmente quando elas se situam em áreas urbanas. O sucesso desta previsão, requer que se caracterize adequadamente o comportamento geotécnico do maciço através de ensaios de laboratório confiáveis e que se utilize um programa automático de calculo como o baseado no método dos elementos finitos que além de permitir a reprodução do processo construtivo, incorpore um modelo constitutivo capaz de reproduzir a resposta do solo quando submetido a trajetórias de tensão verificadas durante uma escavação. O método utilizado, analisou-se o mini-túnel da SABESP sob a Av. 9 de Julho na cidade de São Paulo. Para representar o comportamento tensão-deformação do solo foi utilizado o modelo elasto-plástico de Lade (1977, 1979), caracterizado por uma lei de fluxo não associada e pela existência de 2 superfícies de plastificarão. Finalmente, a simulação numérica do túnel raso em estudo foi feita usando-se um programa de elementos finitos que permitiu representar as fases do processo construtivo. Compararam-se os resultados obtidos através dos modelos elástico-linear e elasto-plástico, através de métodos analíticos e de instrumentação.This thesis study a method to analyse shallow tunnels in soils in two-dimensions. An important aspect in the design of this type of construction is the prediction of the displacement induced by tunnelling, mainly when they are located in urban areas. However, the success of these predictions requires an adequate characterization of the ground geotechnical behaviour, which can be clone by means of reliable geotechnical laboratory tests, and a automatic program of calculation, as the based on the fini te element method, that allows for the simulation of the construction steps besides incorporating a constitutive model able to reproduce the laboratory behaviour. In order to test and illustrate the employed method of analysis, the mini-tunnel of SABESP under 9 de Julho Avenue in the city of São Paulo was analysed. The elasto-plastic constitutive model developed by Lade (1977, 1979), that uses a non-associated flow rule and two different plastic yield surfaces, was implemented in order to represent the stressstrain behaviour of the soil. Some problems wi th known solutions were numerically analyzed to verify the program results. Finally, a numerical simulation of the studied tunnel was performed using a finite e\'lement program that allowed for the representation of the construction steps. Thus, field instrumentation and analytical method results were compared to the ones obtained by means of a linear-elastic and Lade\' s elasto-plastic models