RELATIONSHIP BETWEEN SOIL PHYSICAL-MECHANICAL PARAMETERS AND EARTH DAM SLOPE STABILITY USING STOCHASTIC AND NUMERICAL MODELING

Relação entre parâmetros físico-mecânicos do solo e a estabilidade de taludes de barragens de terra com emprego de modelagem estocástica e numérica

Resumo

Resumo. O objetivo desta pesquisa é obter uma relação matemática para estimar o fator de segurança inicial em barragens de terra, com base em um modelo de regressão linear. Para ampliar a amostragem inicial que inclui as propriedades físico-mecânicas dos solos existentes em aterros de barragens de terra construídas, é necessária a aplicação do método de Monte Carlo. Com base na modelagem numérica, a variação do fator de segurança em uma barragem de 30 metros de altura é analisada pelo método Morgenstern-Price, considerando fluxo de água estacionário e incluindo solo não saturado na análise. É realizado um modelo numérico híbrido, que combina o Método dos Elementos Finitos para análise da filtração e o Método do Equilíbrio Limite para obtenção do fator de segurança. Dentre os resultados da modelagem numérica e do projeto experimental proposto, observa-se que a coesão é a variável mecânica predominante no comportamento de estabilidade de taludes de barragens com aterro homogêneo. São propostos ábacos para estimar o fator de segurança inicial no estado insaturado através da fixação do peso específico, para diversos valores de coesão e ângulo de atrito interno; e é estabelecida uma relação matemática para estimar o fator de segurança, que possui coeficiente de determinação igual a 95%.

Palavras-chave. Estabilidade de taludes. Solo não saturado, Modelagem estocástica. Fator de segurança. Regressão linear.

Abstract. The main goal of this research is to obtain a mathematical relationship to estimate the initial safety factor in earthen dams, based on a linear regression model. To expand the initial sample that includes the physical-mechanical properties of existing soils in embankments of built earthen dams, it is necessary to apply the Monte Carlo method. Based on numerical modeling, the variation of the safety factor in a 30-meter-high dam is analyzed using the Morgenstern-Price method, considering steady water flow and including unsaturated soil in the analysis. A hybrid numerical model is carried out, which combines the Finite Element Method for the analysis of the filtration and the Limit Equilibrium Method to obtain the safety factor. Among the results of the numerical modeling and the proposed experimental design, it is observed that cohesion is the predominant mechanical variable in the behavior of slope stability of dams with homogeneous embankment. Abacuses are proposed to estimate the initial safety factor in the unsaturated state, fixing the specific weight, for various values of cohesion and angle of internal friction; and a mathematical relationship is established to estimate the safety factor, which presents a coefficient of determination equal to 95%.

Keywords: Slope stability. Unsaturated soil. Stochastic modeling. Factor of safety. Linear regression.

Resumen. El objetivo de esta investigación es obtener una relación matemática para estimar el factor de seguridad inicial en presas de tierra, basado en un modelo de regresión lineal. Para ampliar la muestra inicial que comprende las propiedades físico mecánicas de los suelos existentes en terraplenes de presas de tierra construidas, es necesario aplicar el método de Monte Carlo. A partir de la modelación numérica, se analiza la variación del factor de seguridad en una presa de 30 metros de altura mediante el método de Morgenstern-Price, considerando flujo de agua estacionario e incluyendo al suelo no saturado en el análisis. Se realiza un modelo numérico híbrido, que combina el Método de Elemento Finitos para el análisis de la filtración y el Método de Equilibrio Límite para la obtención del factor de seguridad. Entre los resultados de la modelación numérica y el diseño experimental planteado, se observa que la cohesión es la variable mecánica predominante en el comportamiento de la estabilidad de taludes de presas con terraplén homogéneo. Se proponen ábacos para estimar el factor de seguridad inicial en estado no saturado fijando el peso específico, para diversos valores de cohesión y ángulo de fricción interna; y se establece una relación matemática para estimar el factor de seguridad, la cual presenta un coeficiente de determinación igual a 95%.

Palabras-clave: Estabilidad de taludes. Suelo no saturado. Modelación estocástica. Factor de seguridad. Regresión lineal.