Probabilistic analysis of the behavior of rock tunnels

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2017.O uso de obras subterrâneas vem crescendo significativamente nas últimas décadas, pois estas são cada vez mais a solução encontrada para questões de quando o uso das opções de superfície é insuficiente, seja pela crescente saturação do espaço urbano ou por motivos geológicos ou topográficos. Paralelo a este crescimento, depara-se também com o aumento do número de acidentes, o que pode causar um grave impacto sobre o processo de construção, levando a elevados prejuízos financeiros, atrasos no cronograma ou até mesmo levar à morte. A avaliação da segurança das obras subterrâneas, por muito tempo, foi feita através de abordagens determinísticas, em que os parâmetros e carregamentos são assumidos constantes e o resultado calculado é único. Contudo, lida-se com materiais geológicos que, por mais que se tenha uma investigação detalhada, podem apresentar características não previstas inicialmente e que só serão detectadas na construção. Devido a essa variabilidade natural dos solos e rochas, a abordagem probabilística é de importância crucial nesse meio. Neste sentido, o objetivo deste trabalho é, a partir do comportamento de túneis em rochas, definir indicadores de desempenho que possam ser utilizados para o cálculo da probabilidade de falha através de uma abordagem probabilística. A metodologia proposta engloba as seguintes etapas: definição dos dados de entrada; calibração do modelo comparando os resultados numéricos com as equações analíticas de Kirsch; execução dos cálculos determinísticos com 72 simulações para dois tipos de rochas, onde foi possível extrair dos dados de saída os indicadores de desempenho fator de segurança, área plástica e convergência e a partir deles elaboraram-se gráficos nos quais as mudanças de tendência foram tomadas como indicadores de falha; abordagem probabilística em que aplicou-se o método dos pontos de estimativas (Rosenblueth), considerando a variabilidade dos parâmetros coeficiente de empuxo no repouso (ko), coesão (c) e ângulo de atrito (ϕ) para obter a probabilidade de falha para cada um dos indicadores. Os resultados mostraram que, em muitos casos, mesmo com a média acima ou abaixo do valor limite estipulado, a probabilidade de falha ainda é relevante. Desta forma, observou-se a aplicabilidade dos métodos probabilísticos frente aos tradicionais métodos determinísticos.The use of underground works has been increasingly growing in recent decades, once these are the solution found for the issues when the surface options are insuficient, either for the urban space saturation or geological or topographical reasons. Parallel to this growth, there is also an increase of the number of accidents, which can cause a serious impact on the construction process, leading to high financial losses, delays in the schedule or even lead to death. The safety evaluation of underground works, for a long time, was made through deterministic approaches, in which the parameters and loads are assumed constant and the calculated result is fixed. However, tunnels deal with geological materials that, even if they have detailed investigation, they can show characteristics not initially defined, which will be detected in the construction. Because of this natural variability of soils and rocks, a probabilistic approach is of crucial importance in this area. In this sense, the objective of this work is to define performance indicators from the behavior of rock tunnels and use them to calculate the probability of failure through a probabilistic approach. The proposed methodology includes the following steps: definition of the input data; model's calibration comparing the numerical results with Kirsch's analytical equations; 72 simulations of deterministic calculations for two types of rocks where it was possible to extract the performance indicators from the output data. These indicator are safety factor, plastic area and convergence and throught them was possible to elaborate graphics and obtain the failure indicators; probabilistic analysis aplying the Point Estimate Method (Rosenblueth), considering the variability of the parameters: at-rest earth pressure coeficiente (ko), cohesion (c) and friction angle (ϕ), and then, obtain a failure probability for each of the indicators. The results has shown that in many cases, even with an average above or below the stipulated threshold, a failure probability is still relevant. Thus, an applicability of probabilistic methods over the traditional deterministic methods is observe