Modelagem computacional de túneis gêmeos profundos interligados por galerias transversais considerando o acoplamento plasticidade-viscoplasticidade

Abstract

No presente trabalho, modelos constitutivos desenvolvidos em trabalhos anteriores são implementados via funcionalidade USERMAT disponível no software ANSYS para analisar os processos de deformação em túneis gêmeos profundos interligados por galerias transversais. Diferentes modelos constitutivos para o maciço são considerados: elástico, elastoplástico, viscoplástico e elastoplástico-viscoplástico. A plasticidade é definida assumindo uma superfície de escoamento de Drucker-Prager com regra de fluxo associada sem endurecimento/amolecimento. Por outro lado, a viscoplasticidade é baseada no modelo de Perzyna, empregando igualmente uma superfície de escoamento de Drucker-Prager. Para o revestimento, dois modelos constitutivos são adotados: elástico e viscoelástico. O comportamento viscoelástico para o revestimento é definido por um modelo reológico de Kelvin Generalizado, formulado com base na Teoria da Solidificação de Bazant e Prasannan e ajustando os parâmetros de acordo com as formulações do CEB-FIP MC90. A verificação do modelo computacional ocorre através de comparações com soluções analíticas desenvolvidas por outros autores em elasticidade e elastoplasticidade para túneis gêmeos sem galeria. Uma análise da convergência de malha combinada com a implementação da linguagem APDL permitiu a definição de uma discretização espacial satisfatória para o domínio geométrico. Análises paramétricas são utilizadas para investigar a interação mútua entre os túneis gêmeos com ou sem galeria, em particular o efeito observado no perfil de convergências do túnel longitudinal. Destaca-se o papel da rigidez do revestimento de concreto no perfil de convergências dos túneis, atenuando os efeitos viscosos, e o notável efeito da interação entre os túneis longitudinais em relação a sua proximidade a partir de quatro raios de distância (aumento de até 11% em relação ao túnel isolado). Desse modo, os maiores valores em termos de convergência ocorrem na consideração dos efeitos viscosos em conjunto com o afastamento de quatro raios entre os túneis. Quando se trata da existência de galeria transversal, considerando a existência de revestimento, observa-se que a sua influência nos túneis gêmeos é altamente localizada, na ordem de quatro raios para cada lado a partir do seu eixo.

In the present work, constitutive models developed in previous studies are implemented using the USERMAT functionality available in the ANSYS software to analyze deformation processes in interconnected deep twin tunnels via transverse galleries. Various constitutive models for the massif are considered: elastic, elastoplastic, viscoplastic, and elastoplasticviscoplastic. Plasticity is defined assuming a Drucker-Prager yield surface with an associated flow rule without hardening/softening. On the other hand, viscoplasticity is based on the Perzyna model, also employing a Drucker-Prager yield surface. For the lining, two constitutive models are adopted: elastic and viscoelastic. The viscoelastic behavior for the lining is defined by a Generalized Kelvin rheological model, formulated based on Bazant and Prasannan's Solidification Theory and adjusting the parameters according to the formulations of CEB-FIP MC90. Computational model verification occurs through comparisons with analytical solutions developed by other authors in elasticity and elastoplasticity for twin tunnels without galleries. A mesh convergence analysis combined with the implementation of the APDL language allowed the definition of a satisfactory spatial discretization for the geometric domain. Parametric analyses are used to investigate the mutual interaction between twin tunnels with or without galleries, particularly the observed effect on the convergence profile of the longitudinal tunnel. The role of the concrete lining stiffness in the convergence profile of tunnels is highlighted, mitigating viscous effects, along with the significant effect of the interaction between longitudinal tunnels in terms of their proximity from four radii apart (an increase of up to 11% compared to an isolated tunnel). Thus, the highest convergence values occur when considering viscous effects together with the distance of four radii between the tunnels. Regarding the existence of a transverse gallery and considering the presence of lining, its influence on twin tunnels is highly localized, within approximately four radii on each side from its axis.