Aplicação do método dos elementos de contorno na análise de estabilidade de túneis em meios descontínuos : abordagem probabilística

Abstract

Resumo: Avaliar a estabilidade de um túnel escavado em rocha é algo que demanda um vasto conhecimento, haja vista as incertezas inerentes às propriedades mecânicas e geométricas do maciço. Um dos parâmetros fundamentais para este tipo de análise são as tensões in-situ, pois, durante a escavação, alterações no campo de deformações do maciço são geradas e novas tensões surgem, podendo impactar diretamente na estabilidade da escavação. Além disso, outro fator importante no estudo de escavação em rocha é o conjunto de descontinuidades, pois são elas que conduzem a deformabilidade, a resistência e a permeabilidade de um maciço. Ademais, podem induzir anisotropia no plano de ruptura do maciço rochoso. Para isso, é importante adotar um critério de ruptura adequado visando a segurança do empreendimento. Diante desse contexto, o presente trabalho visa apresentar a formulação de elementos de contorno para meios isotrópicos e anisotrópicos para avaliar o estado de tensões e deformações de um maciço rochoso. A adoção por este método deu-se pela vantagem de poder aplicá-lo em domínios infinitos. Para avaliação da estabilidade, adotou-se o critério de Hoek-Brown onde o parâmetro que representa a perturbação devido ao fogo é introduzido por uma variação linear na qual limita a distância máxima para ocorrência de ruptura num maciço rochoso. Devido às incertezas dos parâmetros de entrada para compor a modelagem de um maciço, um modelo probabilístico utilizando o Método de Monte Carlo é incorporado ao código implementado. Para incluir os efeitos da presença de uma descontinuidade num maciço, formulações da mecânica do contato, com aderência e separação, são introduzidas por meio da inserção de sub-regiões. Para isso, um processo iterativo incluindo passos de carga foi introduzido com o intuito de observar a evolução da área de ruptura numa escavação submetida a um estado de tensões iniciais. A validação do código deu-se por meio de soluções analíticas para problemas conhecidos. Ao comparar os resultados obtidos para os casos isotrópicos e anisotrópicos, conclui-se que nem sempre a modelagem em meio isotrópico é uma alternativa conservadora na análise na estabilidade de um túnel. Com relação à modelagem de múltiplas sub-regiões, em meio anisotrópico, os resultados para o caso de interfaces completamente aderidas foram convincentes. Para os casos com possibilidade de abertura de uma descontinuidade cuja validação deu-se por meio de um modelo de mecânica da fratura, os resultados obtidos foram satisfatórios e limitados pelos recursos computacionais disponíveis. Em suma, o código implementado mostrou um grande potencial para análise de estabilidade de túneis escavados em rocha.

Abstract: To evaluate the stability of a tunnel excavated in rock is something that requires a great knowledge considering the uncertainties inherent to the mechanical and geometrical properties of the rock mass. One of the fundamental parameters for this type of analysis are the in situ stresses, since, during the excavation, changes in the strain field of rock mass are generated and new stresses arise, which can directly impact on the stability of the excavation. Furthermore, another important factor in the study of rock excavation is the group of discontinuities, who lead the deformability, strength and permeability of a rock mass. Moreover, they can induce anisotropy in the rock mass failure plan. Thus, it is important to adopt an appropriate failure criterion aiming at the security of the excavation. In this context, this work presents a formulation of the boundary element method for isotropic and anisotropic media to assess the state of strains and stresses within a rock mass. The adoption of this method was due to its modeling advantages when applied to infinite domains. To evaluate the stability, the Hoek-Brown criterion was adopted where the parameter representing the mass disturbance due to fire is introduced by a linear function with a fixed range limiting the maximum distance for occurring rupture of the rock mass. Due the uncertainties of input parameters, for modeling of the rock mass, a probabilistic model using the Monte Carlo method is incorporated into the implemented code. To include the effects of the presence of discontinuities in rock mass, mechanical contact formulations with stick and separation conditions are introduced by insertion of subregions. For this, an iterative process including load steps was introduced in order to observe the evolution of the rupture area in an excavation under an initial state of stress. The code was validated by analytical solutions of known problems. By comparing the results obtained for the isotropic and anisotropic cases, it is concluded that modeling with isotropic medium condition is not always a conservative alternative in the stability analysis of a tunnel. With respect to modeling with multiple subregions in an anisotropic medium, the results for the case of completely bonded interfaces were convincing. For cases with the possibility of opening discontinuities, validated by means of a fracture mechanics simple model, results were satisfactory and limited by the available computational resources. In summary, the implemented code showed great potential for stability analysis of tunnel excavations in rock.