Estudos de caso: teste de convergência de malha e comparações entre equilíbrio limite e análise de tensão-deformação em estabilidade de taludes aplicada a minas a céu aberto

Abstract

Novas tecnologias têm sido aplicadas na engenharia geotécnica a partir do avanço computacional das últimas décadas. Neste âmbito, o presente trabalho buscou estudar a aplicação do método dos elementos finitos (MEF) em análises de estabilidade de taludes e comparar suas respostas com aquelas obtidas pelo consagrado método de equilíbrio limite (MEL). Além disso, estudou-se a possibilidade de aplicação de dois métodos estatísticos, Método da Máxima Curvatura e Modelo Linear Response Plateau na otimização de convergência em estudos de malhas de elementos finitos em análises de estabilidade. Selecionaram-se seções de três minas a céu aberto localizadas em Minas Gerais para se analisar sua estabilidade utilizando os softwares comerciais, RS2 e Slide. Nos estudos de convergência de malha, utilizaram-se malhas refinadas e não refinadas e elementos de estado plano lineares (T3 e Q4) e parabólicos (T6 e Q8), verificando-se que, para um mesmo número de elementos que compõem uma malha de elementos finitos, a utilização de elementos de maior precisão (parabólicos) tende a fornecer menores valores de fator de segurança. Das mais de 500 análises realizadas para o estudo de caso em convergência de malha, constatou-se erro de convergência de aproximadamente 5% ao se utilizarem elementos Q4, contraindicando-se sua utilização em análises de estabilidade em fase preliminar de projeto. Nas comparações entre respostas de MEL e MEF, observou-se que os fatores de segurança obtidos por MEF são geralmente inferiores aos obtidos por MEL. Esta diferença se acentua em análises de seções estratificadas, apresentando ou não lençol freático. Em relação à utilização dos dois métodos estatísticos aplicados a estudos de malha, constatou-se que o Método da Máxima Curvatura se adequou melhor ao estudo de caso desta pesquisa. Palavras-chave: Estabilidade de taludes. Método dos elementos finitos. Estudo de convergência de malha.New technologies have been applied in geotechnical engineering supported by the computational advance of the last decades. In this context, the present work sought to study the application of the finite element method (FEM) in slope stability analysis and to compare its results with those obtained by the renowned limit equilibrium method (LEM). In addition, the possibility of applying two statistical methods, the Maximum Curvature Method and the Linear Response Plateau Model, was studied in the optimization of convergence in finite element mesh studies used on stability analyzes. Sections of three open pit mines located in Minas Gerais were selected as case studies to analyze their stability using commercial softwares, RS2 and Slide. In the mesh convergence studies, refined and unrefined meshes and linear (T3 and Q4) and parabolic (T6 and Q8) elements were used, verifying that, for the same number of elements that make up a mesh of finite elements, the use of higher precision elements (parabolic elements) tends to provide lower values of safety factor. From more than 500 analyzes carried out for the mesh convergence case studies, a convergence error of approximately 5% was found when using Q4 elements, contraindicating its use in stability analyzes in the preliminary designs. In comparisons between LEM and FEM results, it was observed that the safety factors obtained from FEM analysis are generally lower than those obtained by LEM. This difference is accentuated in the analysis of stratified sections, with or without water table. Regarding the use of the two statistical methods applied to mesh studies, it was found that the Maximum Curvature Method has suited better to the case studies of this research. Keywords: Slope stability. Finite element method. Mesh convergence study.