Estabilidad de Taludes -...

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Finite Element Solutions for Geotechnical Engineering

Estabilidad de Taludes con Clavos en

2D y 3D

MIDASoft Inc.

Angel Francisco Martinez

Ingeniero Civil



Contents

Parte 1. Objetivos

Parte 2. Introducción

Parte 3. Estabilidad de Taludes en 2D


Parte 5. Conclusión

GTS NX

3

Los objetivos de la sesión de hoy son aprender sobre:

✓ Las diferencias de metodología en elementos finitos para Análisis de Estabilidad de

Taludes

✓ Estabilidad de Taludes en 3D con método SRM

✓ Estabilidad de Taludes en 2D con método SAM

✓ Aplicación de Clavos para reforzamiento



Contents

Parte 1. Objetivos





GTS NX

5

La estabilidad del talud de un terraplén o una excavación

es uno de los problemas mas frecuentes en la ingeniería

geotécnica. Recientemente se hizo posible para el análisis

numérico simular geometrías destruidas y reflejar la

condición del sitio real.

Introducción

El talud siempre cuenta con peso propio pero si fuerzas externas, tales como presión

de poro, cargas aplicadas, terremotos, etc actúan sobre tal, su estabilidad se vera

muy afectada. Una falla del talud (desprendimiento) puede ocurrir si la tensión

cortante interna debida al peso propio y las fuerzas externas son mayor que la

resistencia al corte del suelo.

GTS NX

6

-Strength Reduction Method (SRM) / Método de Reducción de Esfuerzos:

El método de reducción de esfuerzo disminuye gradualmente esfuerzo de corte por un factor hasta que

el cálculo no converge y se considera una falla del talud. El máximo factor de reducción de la resistencia

se usa para calcular el factor de seguridad mínimo.

-Stress Analysis Method (SAM) Método de Análisis de Tensión :

Este método utiliza primero el SRM para realizar el análisis de tensión en el talud. Los resultados de

análisis de tensión se utilizan para calcular los factores de seguridad para un número de superficies de

deslizamiento igual que por el método de equilibrio límite.

Estabilidad de Taludes

GTS NX

7

Reforzamiento por Clavo de Suelo

El clavo de suelo es un tipo de reforzamiento que se inserta desde la superficie de la

pendiente sin ningún pretensado. Se aumenta la fuerza de cizallamiento total de la suelo

original, se controlan los desplazamientos del suelo y se instala el refuerzo desde arriba

hacia abajo.

El grado de seguridad aportado por un solo clavo es generalmente bajo para toda la

estabilidad.

Los clavos de suelo son eficaz para reforzar un corte de pendiente donde se espera una

superficie de falla deslizante superficial, para reforzar excavaciones temporales y paredes

permanentes.

Se pueden clasificar tres tipos de clavado en el suelo:

1. Tipo de gravedad en el que se inserta el refuerzo de clavos en los orificios taladrados y

se ensambla sin presión

2. Tipo de presión en el que se sella la pieza de anclaje de clavos utilizando un

empaquetador permanente y son sellados a presión (grouted).

3. La combinación del tipo de presión con los empacadores de goma reutilizables en la

primera etapa y el tipo de gravedad en la segunda etapa

GTS NX

8

Reforzamiento por Clavo de Suelo

Los elementos embebidos truss se usan generalmente para modelar elementos estructurales

tales como anclajes, clavos y pernos de roca, que ignoran el comportamiento de flexión.

También se pueden aplicar gap / hook con espaciamiento inicial y propiedades de compresión

/ tracción únicas y material elástico no lineal con carga admisible.

Cuando se utilizan elementos truss con diferentes elementos de suelo (2D o 3D), los

nodos deben ser compartidos a lo largo del soporte, lo cual es tedioso para mallar. Sin

embargo, los elementos embebidos truss no requieren el compartir del nodo a lo largo de

soporte, y son por lo tanto más convenientes para modelar y analizar. Los elementos de

truss embebido se utilizan en una forma incrustada dentro de un elemento madre y el

elemento madre puede ser un elemento de deformación plano o un elemento sólido.



Contents

Parte 1. Objetivos







Demo de Estabilidad de Taludes en 2D

GTS NX

11

Geometry Import

Import Materials

Mesh generation

Boundary Conditions

STEP 01

STEP 02

STEP 03

STEP 04

STEP 05 Perform analysis and check result

Overview

GTS NX

Overview

1-12

01 2D Slope

•Slope soil Nail reinforcement for

weathered rock.

••Extract and Divide 1D Nail elements.

••Generating high order mesh for

Strength Reduction method

For performing slope stability analysis using the finite element method (FEM), use higher order

elements and triangle shaped elements.

GTS NX

1-13

02 Material for Soil and Structures

GTS NX

1-14

03 Property for Soil and Structure

Name Weathered Soil Weathered Rock Bed rock Nail

Property 2D 2D 2D 1D

Model Type Plain Strain Plain Strain Plain Strain Embedded Truss

Material Weathered Soil Weathered Rock Bed rock Tension Only

Size (m)D= 0.1

Spacing 2m

GTS NX

Procedure

1-15

01 Create New Project

11

Main Menu > New

Analysis Setting > Model

Type > 2D

Set units to kN / m / sec

2

2

GTS NX

Procedure

1-16

02 Material for Soil & Structures

1Mesh > Prop. > Material

Select Create New and create

add materials from table

* You can define Material / Property

from start files

2

1

2

GTS NX

Procedure

1-17

02 Inspect Property for Soil & Structures

1 Mesh > Prop. > Property

Create 2D plane strain for soil

layers and 1D embedded truss

for nail.

Behavior > Tension Only

Allowable tension 115 kN

Spacing: 2m

Diameter: 0.1m

* You need to assign properties to

materials

2

1

2

GTS NX

Procedure

1-18

03 Import Geometry

1 Main Menu > Import > DWG

Select Soil Nail Reinforced

Slope Stability DWG file

* Import CAD file to start modeling

2

1

2

GTS NX

Procedure

1-19

04 Generate Mesh (2D Element)

1 Mesh > Generate > 2D > Auto -

Area

Select Edge(s) > Select edges

for “Soil layer” as highlighted in

the figure. (Don’t include nails)

Input element Size : 1

(1m between two nodes)

Select Property : weathered soil

Input Mesh Set Name : soil

Click on the >> icon to open

the Advanced Option Window

Activate Higher Order Elements

Click OK , then Click Apply

Repeat for other layers ,

increase sizes to 1m and 2m.

2

3

4

5

6

1

7

8

3

4

7

6

GTS NX

Procedure

1-20

04 Generate Mesh (Mesh 1D Element)

1

Mesh > Generate > 1D

Element

Select the TYPE: Edge(s) >

Select 5 edges for “nails” as

highlighted in the figure.

Size Method > Division: 1

Select Property : Nail

Input Mesh Set Name : Nails

Click OK

1

2

3

4

5

2

3

4

2

GTS NX

Procedure

1-21

05 Define Boundary Condition (Ground)

1 Static / Slope Analysis >

Boundary > Constraint > Auto

Boundary Set Name : Ground

Boundary

1

2

2

GTS NX

Procedure

1-22

05 Define Boundary Condition (SAM)


Boundary > Slip Circular

Surface

Define SAM boundary as

shown

1

2

2

GTS NX

Procedure

1-23

06 Load Condition (Self Weight)

1


Load > Self Weight

Load Set Name : S/W2

2

GTS NX

Procedure

1-24

07 Water Level

1


Boundary > Water Level

Load Set Name : Water Level2

2

GTS NX

Procedure

1-25

08 Define SRM Analysis Case

1 Analysis > General

Solution Type > Slope Stability

SRM > SRM with Nails

Activate all except SAM BC

Activate Options in Output

Control as shown

2

1

2

3

Drag & Drop

3

4

5

GTS NX

Procedure

1-26




SRM > SRM No Nails

Activate all except Nails and

SAM BC


Control as shown

2

1

2

3

Drag & Drop

3

4

5

GTS NX

Procedure

1-27

09 Define SAM Analysis Case



SAM > SAM with nails

Activate all


Control as shown

2

1

2

3

Drag & Drop

3

4

5

GTS NX

Procedure

1-28

09 Define SAM Analysis Case



SAM > SAM No Nails

Activate all except Nails


Control as shown

2

1

2

3

Drag & Drop

3

4

5

GTS NX

Procedure

1-29

10 Perform Analysis

1 Analysis > Analysis > Perform

Select All, Press OK

1

2

2

GTS NX

Procedure

1-30

11 Post Processing (Pre mode vs Post mode)

* After analysis, model view

will be converted to Post-

Mode automatically, can

back to Pre-Mode to change

model information.

1 1

*All results will be represented

by graphic based output, table,

diagram and graph.

Results are given by case

The bottom of the results tab

lists the FOS for all the case in

order.

Results match between SRM and

SAM for both scenarios.

2

2

2

22

3

3

GTS NX

Procedure

31

11 Post Processing (Results No Nails)

* You can see the failure

method from both types of

slope stability analysis.

1

1 *For SAM results go to Results >

Special Posts> SAM

Select SAM No Nails Analysis

Case > MIN

To see the SRM results, you can

select from the works tree in the

SRM case the Plate Strain Strains

> Max Shear

You can right click the legend to

highlight the colors under Auto

Range

2

3

2

3

GTS NX

Procedure

32

11 Post Processing (Results with nails)




1


Special Posts> SAM with Nails

Select SAM Analysis Case >

MIN




> Max Shear



Range

2

3

2

3

GTS NX

Procedure

33

11 Post Processing (Results)




1


Special Posts> SAM with Nails

Select SAM Analysis Case >

MIN




> Max Shear



Range

2

3

2

3



Contents

Parte 1. Objetivos





GTS NX

35

Estabilidad de Taludes 2D y 3D

Consideraciones de Diseño

• Estabilidad General

• Reforzamiento

• Estabilidad a Largo Plazo (sismo / lluvia)

• Presión de Agua

• Etapas Constructivas

Factores de Seguridad

- Método de Reducción de Esfuerzos(2D y 3D)

- Método de Análisis de Tensión (2D)

Método SRM 2DMétodo SAM Método SRM 3D

GTS NX

36

Estabilidad de Taludes en 3D con Método SRM

Sliced Planes Iso Surface



Demo de Estabilidad de Taludes en 3D

GTS NX

38

Geometry Import

Import Materials

Mesh generation

Boundary Conditions

STEP 01

STEP 02

STEP 03

STEP 04

STEP 05 Perform analysis and check result

Overview

GTS NX

1-39

02 Material for Soil and Structures

GTS NX

1-40

03 Property for Soil and Structure

Name Weathered Soil Weathered Rock Bed rock Nail

Property 3D 3D 3D 3D

Model Type Solid Solid Solid Embedded Truss

Material Weathered Soil Weathered Rock Bed rock Nail (Steel)

Size (m) D= 0.1

GTS NX

Overview

1-41

01 Open Project

11

Main Menu > Open

3D Slope Nail Start File

2

2

GTS NX

Procedure

1-42

03

1

1

Geometry >Protrude > Extrude

Select 3 faces

Direction: Y

Enter 30 m

Click Preview, Click OK

2

3

2

Geometry works

3

GTS NX

Procedure

1-43

03

1

1

Geometry > Transform >

Translate > Copy

Target: 5 nail curves

Select Y axis

Copy > Distance 2 > Times 16

Apply

2

3

4

Geometry works

3

42

4

GTS NX

Procedure

1-44

03

1

1

Geometry > Surface Solid >

Imprint > Auto

Target: 3 solids

Tool: all nails except edges

Apply

2

3

4

Geometry works

3

4

2

GTS NX

Procedure

1-45

04 Generate Mesh (3D Element)

1 Mesh > Generate > 3D > Auto

solid

Select object > Select solid for

“Soil layer” as highlighted in

the figure.

Input element Size : 2

(2m between two nodes)

Select Tetra mesh

Select Property : weathered soil

Input Mesh Set Name : soil

Click on the >> icon to open

the Advanced Option Window

Activate Higher Order Elements

Click OK , then Click Apply

Repeat for other layers

2

3

4

5

6

1

7

8

3

4

7

8

2

5

GTS NX

Procedure

1-46

04 Generate Mesh (Mesh 1D Element)

1

Mesh > Generate > 1D

Element

Select the TYPE: Edge(s) >

Select all inner edges for “nails”

as highlighted in the figure.

Size Method > Division: 1

Select Property : Nail

Input Mesh Set Name : Nails

Click OK

1

2

3

4

5

2

3

4

GTS NX

Procedure

1-47

05 Define Boundary Condition (Ground)


Boundary > Constraint > Auto

Boundary Set Name : Ground

Boundary

1

2

2

GTS NX

Procedure

1-48

06 Water Level


Boundary > Water Level

Select top faces of geometry

Press Apply

1

2

2

GTS NX

Procedure

1-49

07 Load Condition (Self Weight)

1


Load > Self Weight

Load Set Name : S/W2

2

GTS NX

Procedure

1-50




SRM > SRM with Nails

Activate all


Control as shown

2

1

2

3

Drag & Drop

3

4

5

GTS NX

Procedure

1-51




SRM > SRM No Nails

Activate all except Nails


Control as shown

2

1

2

3

Drag & Drop

3

4

5

GTS NX

Procedure

1-52

10 Perform Analysis

1 Analysis > Analysis > Perform

Select All, Press OK

1

2

2

GTS NX

Procedure

1-53


* After analysis, model view

will be converted to Post-

Mode automatically, can

back to Pre-Mode to change

model information.

1 1

*All results will be represented

by graphic based output, table,

diagram and graph.

Results are given by case and

types of elements.

The bottom of the results tab

lists the FOS for all the cases in

order.

2

2

2

22

3

3

GTS NX

Procedure

1-54


*Inspect Forces on anchors

SRM > Truss Element

Forces > Axial Force

*Inspect Failure Surface

SRM > Solid Strains > Max

Shear

1 1

*2

2

2

22

3



Contents

Parte 1. Objetivos


Parte 3. Estabilidad de Taludes

Parte 4. Estabilidad de Taludes


GTS NX

56

• Midas GTS NX tiene capacidades para analizar la estabilidad de taludes utilizando

diferentes métodos dependiendo de las dimensiones y preferencias.

• Los principales beneficios de la SRM y SAM son que no requiere conocimiento previo del

rango, da resultados óptimos, y mayor seguridad en los resultados.

• Midas GTS NX tiene elementos embebidos truss que permiten el fácil reforzamiento de

suelo sin tener que lidiar con la conexión de nodos a lo largo del reforzamiento.

• Gráficos de contorno permiten una verificación rápida y gráficas ayudan en la extracción

de información detallada para el área de interés.

• Los resultados obtenidos de la simulación 3D correcta da confianza para los ingenieros

geotécnicos y resulta en diseño óptimo por el ingeniero estructural.

Conclusión



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