Abstract This article presents a numerical model based on the finite difference method for the physical and geometric non-linear analysis of a one-dimensional consolidation problem regarding a saturated, homogeneous and isotropic soil layer with low permeability and high compressibility. The problem is formulated by adopting the void ratio as the primary variable, considering a Lagrangian movement description. The physical non linearity is introduced on the formulation by the constitutive law defined as effective stress and permeability void ratio functions. Based on this numerical model, a computational system named AC-3.0 was developed, which has been verified and validated in terms of the temporal variation of the void ratio distribution throughout the soil layer, by comparing the numerical results with analytical and numerical solutions found in literature for some specific scenarios. Knowing the void ration distribution,it is possible to obtain secondary variables such as: superficial settlement, effective stress and excess of pore water pressure.The importance of the non-linear formulation is highlighted for the analysis of problems related to material presenting high compression and a very high initial void ratio.

Abstract Researchers have found that a valuable alternative for predicting the mechanical behavior of landfill construction is numerical simulation based on the finite element method. The results of such a numerical simulation for a sandy tailings deposit from the iron mining coupling flow and deformation are presented herein. This study investigates the influence of the construction rate, drainage system, and anisotropy of permeability on the magnitude of pore pressures generated during the construction process. The study also presents the results from different analyses considering different constitutive models including elastic, nonlinear elastic and nonlinear elastoplastic. In obtaining the constitutive parameters, the numerical results highlight the importance of having a more detailed set of conventional triaxial compression tests. Also highlighted by the numerical results is the importance of having an efficient drainage system and the necessity of taking into account the water level variation in the hydro-mechanical behavior of numerical simulations of landfills that are hydraulically constructed.

ResumoEsse artigo apresenta um modelo constitutivo elástico perfeitamente plástico com plasticidade associada e com base no critério de resistência de Hoek-Brown. O objetivo é aplicar esse modelo para análise não linear de problemas geotécnicos como escavações em maciços rochosos. As implementações computacionais foram realizadas no sistema ANLOG (Análise não linear de obras geotécnicas) com base na formulação em deslocamento do método dos elementos finitos. Devido à natureza não linear do modelo constitutivo, o estudo adota um procedimento incremental iterativo do tipo Newton-Raphson com incrementos automáticos de modo a garantir o equilíbrio em nível global. Além disto, para garantir a condição de consistência em nível local, o estudo adota um esquema de explicito de integração de tensão com subincrementos automáticos de deformação. Para validar as implementações computacionais e a aplicabilidade do modelo numérico gerado, o estudo usa os resultados da simulação numérica de uma cavidade cilíndrica em maciços rochosos.

AbstractThis paper aims to present an elastic, perfectly plastic, constitutive model based on the Hoek-Brown failure criterion and with non-associative plasticity. The objective is to apply the model to the non-linear analysis of geotechnical problems like excavations in rock mass. The computational implementation was carried out with a computational program called ANLOG (Non-Linear Analysis of Geotechnical Problem) system based on a displacement formulation of the finite element method. Due to the non-linear nature of the constitutive model, the study adopts an incremental iterative Newton-Raphson procedure with automatic load increments to guarantee the global level equilibrium. In addition, to guarantee the consistency condition at the local level, the study adopts, for the stress integration, an explicit algorithm with automatic sub-increments of strain. To validate the computational implementation and applicability of the numerical model, the study uses theoretical results to compare with ones obtained with the numerical simulation of cylindrical cavity in rock mass.

AbstractThis paper presents a nonlinear stability analysis of piles under bilateral contact constraints imposed by a geological medium (soil or rock). To solve this contact problem, the paper proposes a general numerical methodology, based on the finite element method (FEM). In this context, a geometrically nonlinear beam-column element is used to model the pile while the geological medium can be idealized as discrete (spring) or continuum (Winkler and Pasternak) foundation elements. Foundation elements are supposed to react under tension and compression, so during the deformation process the structural elements are subjected to bilateral contact constraints. The errors along the equilibrium paths are minimized and the convoluted nonlinear equilibrium paths are made traceable through the use of an updated Lagrangian formulation and a Newton-Raphson scheme working with the generalized displacement technique. The study offers stability analyses of three problems involving piles under bilateral contact constraints. The analyses show that in the evaluation of critical loads a great influence is wielded by the instability modes. Also, the structural system stiffness can be highly influenced by the representative model of the soil.

Esse artigo descreve a utilização de um método alternativo de controle de qualidade na compactação de aterros em barragens de rejeitos de mineração. O procedimento faz uso de um penetrômetro, conhecido pela sigla DCP (Dynamic Cone Penetrometer), de maior emprego na construção de estradas (avaliação da qualidade de camadas de pavimento). Com esse aparelho, pode ser feita a medição de resistência das camadas superficiais de solos naturais ou compactados, incluindo os rejeitos arenosos de mineração, de forma rápida e eficaz. O instrumento foi utilizado com sucesso no acompanhamento do alteamento de uma barragem de rejeitos de minério de ferro no Quadrilátero Ferrífero, Estado de Minas Gerais, e os resultados mostraram uma efetiva densificação das camadas compactadas, porém de forma irregular no que tange à distribuição espacial no corpo da barragem. Além disso, o controle da compactação também foi feito com método tradicional do cilindro biselado, permitindo a comparação das duas técnicas.

An alternative method for quality control of earthworks in mining tailing dams is described in this article. It is composed by a penetrometer, known by the acronym DCP (Dynamic Cone Penetrometer), and is used primarily in road construction (quality assessment of pavement layers). With this apparatus, strength measurement of superficial layers of natural and compacted soils can be performed, including mine sand tailings, in a fast and efficient manner. The instrument was successfully used in the construction control of an iron ore mining tailings staged dam in the Quadrilatero Ferrifero, in Minas Gerais State, and the results showed distinctly effective densification of the embankment compacted layers, but with a sort of irregularity in their spatial distribution. In addition, field control using the traditional core-cutter method was also performed for comparison between both techniques.

Nas atividades que envolvem armazenamento de estéril de mineração é necessária, a realização de um estudo prévio do comportamento mecânico, tanto das pilhas de estéril, quanto do terreno de fundação. Face à complexidade relacionada a esse tipo de problema, a utilização de técnicas numéricas é indispensável, ainda que forneçam uma resposta aproximada para o problema. Desta forma, apresentam-se, nesse trabalho, os resultados de uma análise tensão-deformação-resistência com base no método dos elementos finitos (MEF), de pilhas de estéril construída pelo método ascendente e dispostas em encosta. Um modelo não linear elástico perfeitamente plástico, com plasticidade associada e de acordo com o critério de resistência de Mohr-Coulomb modificado é adotado para representar o comportamento constitutivo do material empilhado, enquanto o terreno de fundação é representado por um modelo linear elástico. A técnica de "ligar a gravidade" aplicada para simular a construção de aterros via MEF é adotada, nesse trabalho, juntamente com o procedimento da malha dinâmica. As diferentes configurações geométricas, tanto das pilhas, quanto do terreno de fundação, analisadas fornecem indicação de que alguns requisitos definidos pela legislação vigente devem ser reavaliados, principalmente no que diz respeito a algumas restrições geométricas, as quais deveriam ser revisitadas e melhor especificadas.

In activities involving disposal of mine waste in a dump, it is necessary to carry out a preliminary study of the mechanical behavior of both dump and the foundation materials. Due to the complexity of this problem, numerical techniques are essential for providing an approximate answer to the problem. Thus, the finite element method (FEM) was used to evaluate the stress-strain-strength behavior of a hillside waste dump built on a deformable foundation by the ascending method; the results of which are herein presented. The dump material is considered to be Morh-Coulomb nonlinear elastic perfectly plastic while the foundation material is considered to be linear elastic. The numerical simulation of mine waste dump construction is carried out by the "gravity turn on" technique and the dynamic mesh procedure. Different geometric configurations are analyzed and it is concluded that some requirements established by law should be reviewed and refined.

Soluções analíticas para o processo de ressecamento de um solo fino mole de alta compressibilidade, como os rejeitos finos da mineração, são de difíceis obtenções, dado a não linearidade das propriedades constitutivas do material e a complexidade das condições de contorno, que influenciam as análises desse fenômeno. Assim, o emprego de modelos numéricos, para solução desses problemas, torna-se mais vantajoso. Esse artigo apresenta um modelo numérico para análises do processo de ressecamento de um rejeito fino proveniente do beneficiamento de minério de ferro. Com base na teoria proposta por Abu-Hejleh (1993) e implementado num programa computacional de diferenças finitas, esse modelo foi calibrado a partir dos dados de um estudo de ressecamento realizado, preliminarmente, em campo e de ensaios de laboratório, para a determinação dos parâmetros constitutivos do rejeito fino. A satisfatória concordância, entre os dados das simulações e os verificados no estudo em campo, atestou a precisão do modelo obtido na análise do ressecamento do material, indicando ser o mesmo aplicável a estudos futuros, que tenham, por objetivo, aumentar a eficiência do processo de ressecamento.

To obtain analytical solutions for desiccation analyses of soft soil such as mine tailing slimes is difficult because of the non-linearity of the material constitutive relationships and complexity of the problem boundary conditions. Thus, it is more attractive to use of numerical models to address the desiccation phenomenon. This paper presents a numerical model for desiccation of a fine mine tailings produced by milling processes of iron ore. The modeling is based on the theory proposed by Abu-Hejleh (1993) and uses a finite difference computer code associate to that theory. This model was calibrated using field data from a previous work and results from laboratory tests. Good agreement was found between simulation results and field observations suggesting applicability of the numerical model in future designs to enhance effectiveness of the desiccation process.

Esse artigo apresenta a formulação isoparamétrica, via MEF, de problemas de adensamento devido à variação do nível d'água em termos das variáveis primárias: deslocamentos e carga hidráulica total. A superfície livre, durante o regime de escoamento transitório, é considerada como um contorno móvel e, para sua localização, é adotado o processo de fluxo residual. A estratégia de redução da permeabilidade, necessária para minimizar o fluxo nas regiões com poro-pressões negativas, foi adotada nesse artigo. O modelo numérico apresentado foi implementado no programa computacional ANLOG para solução de problemas em estado plano de deformação. São apresentados exemplos que validam a formulação apresentada.

A fully coupled isoparametric formulation based on the finite element method to solve consolidation problems due to the drawdown of the water table is presented in this paper. The primary variables of this formulation are displacement and total hydraulic head. The free surface is considered as a changing contour and its location is determined by the use of the residual flow procedure, in which the water, firstly stored in the porous of the soil between two consecutive free surfaces, is imposed as a flow across the actual free surface. A strategy to reduce the permeability, necessary to minimize the flow in regions with negative pore pressure, is adopted. The numerical model is implemented in an ANLOG computational code to solve problems in a plane strain state. Examples to validate this formulation are presented.

A formulação de Limite Inferior para problemas de estabilidade pelo método dos elementos finitos (MEF) é descrita nesse trabalho, podendo ser aplicada a meios contínuos e reforçados. No caso de solos reforçados, apresentam-se as formulações para análise através das técnicas do contínuo equivalente e discreta. Os exemplos estudados mostram a potencialidade do método para solução de problemas práticos da engenharia geotécnica.

This paper presents the Lower Bound formulation for stability problems by the finite element method (FEM), and its applicability to continuous media or reinforced soils. In case of reinforced soils, two formulations are described using equivalent continuous model and discrete model. The studied examples show the potentiality of the solution method for practical problems in geotechnical engineering.