Efeitos do carregamento cíclico da onda sobre leitos marinhos vistos como meios poroelásticos saturados

Abstract

Os fenômenos associados à interação dinâmica entre ondas e leitos marinhos porosos são objeto de intensas pesquisas ao redor do mundo. O assunto é de extrema importância para a análise da estabilidade de estruturas portuárias e offshore, taludes e dutos submarinos, por exemplo. No presente trabalho, modelos analíticos para representação das tensões, poropressão e deslocamentos induzidos por ondas em leitos marinhos porosos foram formulados, considerando estes últimos como meios poroelásticos saturados. O carregamento do solo marinho, descrito como a pressão dinâmica gerada pela propagação da onda, foi obtido através da teoria linear de ondas. Deu-se ênfase nas diferentes abordagens das equações governantes, tendo sido resolvido o problema quase-estático bem como o dinâmico, mostrando assim a relevância e limitação de uma análise quase-estática. A formulação analítica abordou, através de condições de contorno específicas, duas configurações geométricas distintas: camada de solo submarinho com espessura finita e infinita. A análise dos resultados indica que a solução obtida para a configuração infinita fornece uma aproximação relevante do estudo poromecânico para solos submarinhos com espessura menores que o comprimento da onda. Baseando-se nas soluções analíticas previamente desenvolvidas, um estudo paramétrico foi realizado para a avaliar a influência de vários parâmetros relevantes do problema poromecânico. Em particular, este estudo preliminar indica que a espessura da lâmina de água e o coeficiente de permeabilidade são fatores fundamentais controlando a resposta poromecânica do solo submarinho. A última parte da dissertação é dedicada a uma primeira abordagem da estabilidade de massas submarinhas sob a ação do carregamento induzido pelas ondas, através da introdução de um critério de Mohr-Coulomb em tensões efetivas. No contexto do método estático da teoria da Análise Limite, as distribuições de tensões e poropressão obtidas em poroelasticidade são empregadas para formular uma condição suficiente para a estabilidade do maciço submarinho. Ilustrações numéricas permitem identificar as superfícies onde o limite em cisalhamento é atingido, sugerindo falha potencial.

The phenomena associated with the dynamic interaction between waves and porous seabeds are the subject of intense research around the world. The subject is extremely important for the analysis of the stability of port and offshore structures, slope and submarine pipelines, for example. In the present work, analytical models for the representation of stress, poropressure and displacements induced by waves in porous seabeds were formulated, considering the latter as saturated poroelastic media. The loading of the marine soil, described as the dynamic pressure generated by the wave propagation, was obtained through linear wave theory. Emphasis was placed on the different approaches to the governing equations, having solved the quasi-static as well as the dynamic problem, thus showing the relevance and limitation of a quasi-static analysis. The analytical formulation approached, through specific boundary conditions, two distinct geometric configurations: submarine soil layer with finite and infinite thickness. The analysis of the results indicates that the solution obtained for the infinite configuration provides a relevant approximation of the poromechanical study for submarine soils with thickness smaller than the wavelength. Based on the analytical solutions previously developed, a parametric study was carried out to evaluate the influence of several relevant parameters of the poromechanical problem. In particular, this preliminary study indicates that the thickness of the water depth and the permeability coefficient are fundamental factors controlling the poromechanical response of submarine soil. The last part of the study is dedicated to a first approach to the stability of subsea masses under the action of wave-induced loading, through the introduction of a Mohr-Coulomb criterion in effective stress. In the context of the static method of Limit Analysis theory, the stress and poropressure distributions obtained in poroelasticity are used to formulate a sufficient condition for the stability of the marine sediment. Numerical illustrations allow to identify the surfaces where the shear limit is reached, suggesting potential failure.