Experimental and numerical study of geotechnical problems using the material point method

Abstract

O objetivo deste trabalho é investigar os mecanismos de alguns problemas geotécnicos submetidos a grandes deformações, e mais especificamente o cone de penetração e escorregamentos na área de estabilidade de taludes. O fenômeno de grandes deformações em Geotecnia pode ser observado em problemas de ensaios de campo como SPT, CPT, DMT; ensaios de laboratório como o ensaio de cone e de palheta; em aplicações práticas como a cravação de estacas e em encostas após a ruptura de um talude. Uma das principais limitações na prática da engenharia geotécnica é que as formulações tradicionais para o cálculo de estruturas dependem da hipótese de pequenas deformações. Na última década, com o aumento da capacidade computacional e surgimento de novos métodos numéricos, tornou-se factível a modelagem numérica de problemas de grandes deformações, gerando a possibilidade de estudá-los em maior detalhe. Este trabalho centra-se na aplicação do Método do Ponto Material (MPM). O MPM é uma ferramenta numérica que adota um esquema de discretização Euleriano-Lagrangiano, o que fornece um esquema sofisticado para resolver o balanço de momento linear quando se observam grandes deformações. O método foi aplicado à análise de ensaios de penetração de cone em laboratório e a problemas reais de escorregamentos de taludes com grandes movimentos de massa. Inicialmente, foram feitos ensaios diretos e indiretos de resistência ao cisalhamento em amostras de caulim. O programa de ensaios de laboratório inclui o ensaio de palheta, ensaio de cone, ensaio de compressão oedométrica e ensaio de compressão triaxial convencional. Como produto dos ensaios de laboratório, foram propostas algumas relações entre parâmetros de estados críticos e o ensaio de queda de cone. Também baseado nos ensaios de laboratório, o programa NairnMPM foi testado e calibrado para resolver problemas geotécnicos simples como o ensaio de cone e o colapso de uma coluna de solo. Depois disso e com o intuito de verificar a capacidade do MPM para resolver problemas de grande escala, foram simulados os escorregamentos de taludes na barragem de Vajont, na Itália, e na rodovia Tokai-Hokuriku, no Japão. Finalmente, foi testado o processo de modelagem do escorregamento de Alto Verde, na Colômbia, e as variáveis dinâmicas previstas no modelo foram usadas no cálculo de risco. Os resultados se ajustaram muito bem às observações de campo, destacando a potencialidade do MPM como ferramenta prática na modelagem de vários problemas de grandes deformações na engenharia geotécnica.