MÉTODOS COMPUTACIONAIS E ANALÍTICOS APLICADOS AO ESTUDO DE TOMBAMENTO DE BLOCOS EM TALUDES ROCHOSOS Frederico Costa Melo, engenheiro de minas (UFOP, DEMIN) Milene Sabino Lana, professor Associado, (UFOP, DEMIN) Luana Cláudia Pereira, mestre (NUGEO, UFOP) Paulo Filipe Trindade Lopes, graduando em engenharia de Minas (UFOP, DEMIN) RESUMO Apesar da ocorrência de rupturas por tombamento de blocos em taludes rochosos ser um fenômeno muito comum, os modelos analíticos existentes para estudo do fenômeno são de difícil aplicação na rotina de engenharia, porque os dados necessários, referentes à geometria das descontinuidades envolvidas e do talude, dificilmente podem ser obtidos em campo com o detalhe requerido. Além disso, a aplicação de métodos computacionais não é trivial, já que os modelos devem ser capazes de considerar um maciço como um meio descontínuo, para que a ruptura por tombamento de blocos seja passível de análise. Neste trabalho o mecanismo de ruptura por tombamento de blocos é estudado a partir da aplicação de métodos computacionais e analíticos. Os diversos métodos são analisados, em termos de suas vantagens e limitações. Palavras-chave: tombamento de blocos; taludes rochosos; equilíbrio-limite; análise tensãodeformação. ABSTRACT Despite the occurrence of block toppling in rock slopes is a common failure mode, the analytical methods currently available to study the phenomenon are difficult to apply in engineering practice, because the necessary input, concerning the geometry of discontinuities and the slope can hardly be obtained in the field with the required detail. Moreover, the use of computational methods is not trivial, since the models should be capable of considering the rock mass as a discontinuous medium to permit the analysis of this failure mode. In this work toppling block failure is studied through the use of computational and analytical methods. The various methods are analyzed in terms of its advantages and limitations. Keywords: block toppling; rock slopes; limit equilibrium methods, strain-stress analyses. INTRODUÇÃO Os mecanismos de ruptura por tombamento são movimentos devidos a forças que causam momentos, originando rotação e/ou flexão de colunas ou de blocos de rocha, originadas pela interceptação de diferentes famílias de descontinuidades. Tais mecanismos são divididos em três grupos principais: tombamento flexural, tombamento de blocos e tombamento bloco-flexural. Na figura 1 são mostrados os mecanismos de ruptura por tombamento. Figura 1: Tipos principais de tombamento (Goodman & Bray, [1]). Os mecanismos de ruptura por tombamento são muito comuns em taludes rochosos, incluindo-se nesses os taludes de cavas. Ocorrências de tombamento flexural e tombamento bloco-flexural foram observadas em taludes de filito em minas a céu-aberto de ferro no Quadrilátero Ferrífero. No caso do mecanismo de tombamento de bloco, as ocorrências englobam várias litologias diferentes e são muito comuns, tanto em taludes de mina, quanto em taludes rodoviários ou urbanos. No tombamento flexural ocorre a flexão de colunas contínuas de rocha, formadas por descontinuidades bem desenvolvidas e de alto mergulho, com inclinação contrária à inclinação da face do talude. O cisalhamento entre as colunas, dependendo do atrito entre elas, induz a uma ruptura por tração na base das lâminas e, por fim, ao tombamento das mesmas. O desenvolvimento do mecanismo é gradual e a determinação da superfície basal da ruptura não é um processo trivial. Métodos de equilíbrio limite podem ser aplicados para análise desse mecanismo, como proposto por Aydan & Kawamoto [2]. Nesse método as lâminas rochosas são consideradas placas engastadas a certa profundidade, submetidas à força da gravidade e forças laterais. O desafio é justamente a determinação da profundidade onde ocorre o engastamento das lâminas, que representa a superfície de ruptura basal. Outra abordagem possível para análise do tombamento flexural é a utilização de modelagem numérica. Embora seja um mecanismo determinado pela presença de descontinuidades, modelos numéricos para maciços rochosos contínuos, que permitem a representação explícita das descontinuidades, podem fornecer bons resultados para estudo desse tipo de mecanismo, como mostram Diláscio [3], que utilizou o modelo de juntas ubíquas num programa de diferenças finitas (FLAC, Itasca) e Santos [4], que utilizou um programa de elementos finitos (Phase, Rocscience Inc.), com a representação explícita das descontinuidades. O tombamento de blocos tem inicio quando as colunas de rocha são divididas por juntas ortogonais largamente espaçadas, provocando a individualização dos blocos. As pequenas colunas formadas no pé do talude são empurradas pela ação das forças exercidas pelas colunas superiores e deslizam, permitindo o tombamento das colunas situadas imediatamente acima, de maior altura. A superfície basal de ruptura nesse tipo de tombamento normalmente possui uma forma de escadaria, que geralmente cresce em forma de camadas umas sobre as outras. A análise por equilíbrio limite mais difundida na literatura para o tombamento de blocos é a proposta por Goodman & Bray [1], onde a superfície de ruptura basal tem forma de escadaria, ver figura 2. As condições de estabilidade são ditadas pela estabilidade de cada bloco individual, analisados a partir da parte superior do talude. Um bloco pode encontrar-se em uma das três situações distintas: estável, instável em relação ao deslizamento pela base e instável em relação ao movimento de tombamento. Estas situações dependem de vários fatores, como das dimensões do bloco, dos parâmetros de resistência ao deslizamento e de forças externas nele atuantes. O modelo de Goodman & Bray [1] é de difícil aplicação na prática de engenharia, em função de sua entrada de dados envolver o conhecimento detalhado da geometria dos blocos, o que torna impraticável o levantamento desses dados em campo. Figura 2: Modelo de Goodman & Bray para tombamento de blocos (adaptado de Wyllie et. al, [5]). Diferente do tombamento flexural, os modelos numéricos apropriados para estudo do tombamento de blocos devem permitir a modelagem de maciços descontínuos. O método dos elementos distintos, por exemplo, seria uma ferramenta adequada para esse tipo de análise. O tombamento bloco-flexural consiste na combinação de tombamento e deslizamento dos blocos, configurando um mecanismo de ruptura mais complexo comparado aos dois anteriores. Caracteriza-se por flexão pseudocontínua de longas colunas devido aos movimentos acumulados ao longo de numerosas descontinuidades cruzadas. O movimento de deslizamento acontece ao longo de várias superfícies de descontinuidades no pé do talude, e o tombamento ocorre de forma associada no restante do maciço. Resultando assim, num meio termo entre os campos de deslocamentos, contínuo, do tombamento flexural e descontínuo, do tombamento de blocos (Hoek & Bray, [6]). MÉTODOS DE EQUILÍBRIO LIMITE Bobet [7] foi o primeiro autor a propor um método de equilíbrio limite para análise de tombamento de blocos, onde a espessura dos blocos é pequena se comparada a uma dimensão linear característica do talude, no caso sua altura. A razão entre a altura do talude e a espessura dos blocos foi denominada índice de esbeltez. A ruptura envolve um grande número de blocos e o problema pode ser resolvido considerando o maciço rochoso como um meio contínuo, ao invés de um conjunto de blocos discretos. O método apresentado por Bobet [7] elimina a dificuldade de aplicação prática do método tradicional de Goodman & Bray [1], onde a geometria dos diversos blocos deve ser conhecida em detalhe. Posteriormente Sagaseta et. al. [8] propuseram uma abordagem para maciço rochoso contínuo, cuja solução é considerada adequada para razões de esbeltez maiores que 20. Sagaseta et. al. [8] estenderam o modelo de Bobet [7] para incorporar uma superfície de ruptura basal que não fosse necessariamente normal ao mergulho das descontinuidades com cinemática para tombamento. Para blocos mais espessos (espessura finita) esses autores apresentam uma extensão do modelo, através da redução linear da força externa de suporte, aplicada na base do conjunto de blocos, força essa já presente no modelo tradicional de Goodman & Bray [1]. Sagaseta et. al. [8] aplicam o modelo a diversos casos particulares, gerando ábacos com valores da força externa de suporte em função da geometria do problema e do ângulo de atrito das descontinuidades. Liu et al. [9] também apresentaram uma solução por equilíbrio limite para maciços contínuos, baseada nos trabalhos de Bobet [7] e Sagaseta et. al. [8]. Esses autores automatizaram os cálculos de equilíbrio limite em uma planilha excel. Em um trabalho posterior Liu et. al. [10] propuseram outra solução via equilíbrio limite quando o maciço não pode ser tratado como contínuo. Como uma das grandes vantagens dos métodos de equilíbrio limite, salientamos sua facilidade de incorporação à rotina de engenharia como uma ferramenta interessante de previsão de ruptura e dimensionamento de taludes. Dentre as maiores desvantagens, no caso dos modelos de tombamento de blocos, é assumir uma superfície arbitrária de ruptura basal e determinar previamente o número de blocos do modelo. Descrição do modelo de Liu et. al. [9] A figura 3 mostra o modelo geométrico assumido por Liu et. al. [9] para a análise do tombamento de blocos via equilíbrio limite. O maciço rochoso é considerado contínuo. Um sistema de coordenadas onde o eixo Y é paralelo à família de descontinuidades dominante e o eixo X é perpendicular à mesma família foi adotado pelos autores. Figura 3: Modelo geométrico para tombamento de blocos (adaptado de Liu et. al., [9]). Na figura 4 são mostradas as forças aplicadas em um bloco, de acordo com o modelo de Liu et. al. [9]. Liu et. al. [9] definiram as equações de equilíbrio limite para tombamento e deslizamento, considerando o modelo geométrico e as relações entre forças para um bloco. Quando ocorrer tombamento, a tensão de cisalhamento na base do bloco não atinge a condição de deslizamento, definida por , onde é o ângulo de atrito na base do bloco. Se a condição mencionada for verdadeira, ocorrerá o deslizamento do bloco. Como no método clássico de Goodman & Bray [1], Liu et. al. [9] calculam a força P de suporte para estabilizar o talude. Liu et. al. [9] também determinam o conjunto de blocos sujeito a tombamento, bem como aqueles onde ocorre deslizamento. A razão de esbeltez, no modelo de Liu et. al. [9] foi definida como a altura do bloco na crista pela espessura dos blocos e o modelo é válido para razões de esbeltez entre 15 e 25. Todas as equações e condições necessárias para aplicação do modelo estão detalhadas em Liu et. al. [9]. Descrição do modelo de Liu et. al. [10] Em alguns casos, onde o talude tem uma pequena razão de esbeltez e um grande número de blocos, a solução para maciços contínuos não pode ser aplicada. Liu et. al [10] apresentam uma solução para esse caso. Esses autores consideram a solução proposta mais tratável que a solução de Goodman & Bray [1]. A figura 5 mostra o conjunto de blocos e o modo de ruptura para cada subconjunto de blocos adotado no modelo de Liu et. al. [10]. Esses autores propuseram um fator que permite determinar a transição do modo de ruptura por tombamento para o modo de ruptura por deslizamento, tal como na proposição de Goodman & Bray [1]. Entretanto, o fator proposto por Liu et. al. [10] permite a determinação do ponto de transição de forma mais direta, porque não é necessária a verificação das condições de equilíbrio para cada um dos modos em cada bloco. Além disso, não é necessário o conhecimento detalhado da geometria dos blocos, como no método de Goodman & Bray [1]; basta especificar os parâmetros geométricos básicos do talude e dos blocos (espessura, orientação das descontinuidades e posição da superfície de ruptura basal), além dos parâmetros de resistência das descontinuidades. Figura 4: Relações entre as forças aplicadas em um bloco (adaptado de Liu et. al., [9]). Figura 5: Modo de ruptura adotado no modelo de Liu et. al. [10]. MÉTODOS NUMÉRICOS Os métodos de análise tensão deformação com aplicação em problemas de mecânica das rochas podem tratar o maciço rochoso como um meio contínuo ou descontínuo. Evidentemente, nenhum maciço rochoso é contínuo de fato, já que a presença de descontinuidades é observada em várias escalas. Entretanto, para fins de modelagem numérica, muitas vezes é possível trabalhar com a hipótese de continuidade do meio. Um maciço extremamente fraturado pode, por exemplo, ser representado em modelos contínuos como um meio contínuo equivalente, quando as descontinuidades são muito pequenas se comparadas às dimensões da escavação analisada. Em modelos descontínuos mecanismos de ruptura que envolvam quebra ou rotação de blocos são passíveis de simulação. A representação explícita das descontinuidades é possível num modelo contínuo, mas mecanismos complexos de ruptura envolvendo essas descontinuidades só podem ser adequadamente simulados através de modelagem numérica de maciços descontínuos. Como exemplos de métodos que trabalham com modelagem numérica de maciços rochosos contínuos podemos citar os métodos de elementos finitos, diferenças finitas e elementos de contorno. Já os métodos que trabalham com maciços descontínuos são os métodos dos elementos discretos e os métodos de redes de fraturas discretas. Esse último apresenta aplicação interessante, por exemplo, em fluxo através de fraturas interconectadas, como sugere Jing [11]. Há também a possibilidade de utilização de métodos híbridos, que aliam as vantagens dos dois tipos de modelagem, do contínuo e do descontínuo. É possível, por exemplo, modelar um maciço descontínuo próximo à escavação ou escavações de interesse, embebido num meio contínuo, já que, além da zona de interesse, não é necessária uma maior preocupação com a resposta do modelo, desde que os deslocamentos sejam insignificantes nos limites do modelo. Na literatura há várias referências à aplicação de técnicas de modelagem numérica em mecânica de rochas. Uma discussão interessante e detalhada dos métodos de modelagem numérica e suas aplicações é apresentada por Jing [11]. A modelagem numérica do mecanismo de tombamento de blocos requer a aplicação de modelos descontínuos, capazes de considerar a rotação dos blocos individuais. Entretanto, os modelos contínuos que permitem a representação explícita das descontinuidades podem ser úteis na determinação do início do colapso ou de grandes deslocamentos que causam a separação dos blocos formados pelas descontinuidades, conforme salientam Hammah et. al [12]. Esses autores apresentam resultados da aplicação do programa Phase2, da Rocscience em maciços rochosos, onde os modos de ruptura pela rocha e pelas descontinuidades podem ser observados, ver figura 6. O programa Phase2 é um programa de elementos finitos que permite a representação explícita das descontinuidades, através da inserção de elementos de junta ou da criação de redes de fraturas, segundo modelos existentes na literatura. Apesar de ser uma ferramenta de modelagem de meios contínuos, é possível identificar a ocorrência não só de rupturas pela rocha (figura 6a), como de rupturas envolvendo blocos formados pelas descontinuidades (figura 6b). Há vários recursos disponíveis para interpretação do modo de ruptura e um deles é mostrado na figura 6, a visualização das curvas de isocontorno da deformação de cisalhamento máxima. METODOLOGIA O programa Phase2, versão 8.0, da Rocscience [13], foi utilizado para modelagem de um maciço descontínuo, onde duas famílias de descontinuidades que se interceptam foram representadas através da utilização da função “joint network”. Um talude de bancada, com 30m de altura e inclinação da face de 80° foi adotado para o modelo. Figura 6: Curvas de isocontorno de deformação de cisalhamento máxima, geradas pelo programa Phase2, da Rocscience: (a) modo de ruptura rotacional, (b) modo de ruptura indicando movimento de blocos (Hammah et. al., [12]). A geometria das descontinuidades foi estabelecida de modo a se criar as condições cinemáticas favoráveis para ocorrência de tombamento de blocos. Os espaçamentos das descontinuidades foram testados, de modo que o programa pudesse ser executado sem a ocorrência de problemas de instabilidade numérica, que ocorre quando os espaçamentos são muito pequenos. Adotou-se um carregamento gravitacional, considerado típico de taludes de pequeno porte. Foi assumido um comportamento elástico para a rocha, com a especificação de um módulo de Young excessivamente alto para prevenir a ruptura pela rocha. Os parâmetros de resistência e deformabilidade adotados para as descontinuidades são típicos de rochas metamórficas brandas do Quadrilátero Ferrífero, como os xistos característicos de materiais estéreis em minas a céu-aberto de ferro. O modelo de equilíbrio limite proposto por Liu et. al. [10] foi aplicado ao problema simulado no Phase2 [13] e os resultados de ambos foram confrontados. DISCUSSÃO DOS RESULTADOS Parâmetros de entrada do modelo numérico a) Dados do talude: Altura: 30m Ângulo da face: 80° b) Propriedades do maciço: Módulo de Young: 200000 MPa Coeficiente de Poisson: 0,2 Peso específico: 0,024 MN/m3 Ângulo de atrito: 43,6° Coesão: 2,45 MPa c) Propriedades das descontinuidades Mergulho da descontinuidade dominante: 45°, contra a face Mergulho da descontinuidade basal: 28° Espaçamento da descontinuidade dominante: 4,8m Espaçamento da descontinuidade basal: 1,2m Ângulo de atrito: 24° Coesão: 0 Módulo de rigidez normal: 40 MPa/m Módulo de rigidez cisalhante: 0,4 MPa/m d) Tensões in situ: Tensão vertical igual ao peso específico x profundidade ( Tensão horizontal igual a , onde Na figura 7 o modelo com as descontinuidades e a malha é apresentado. O modelo foi executado em dois estágios para simular a escavação do talude. Figura 7: Modelo com as descontinuidades e a malha (Phase2, v.8.0, [13]) Resultados do modelo numérico Os resultados obtidos indicaram colapso ocasionado por movimentos segundo as descontinuidades. Na figura 8 a superfície basal de ruptura é deduzida a partir do padrão de deslocamentos do modelo. Figura 8: Padrão dos deslocamentos indicando o limite da ruptura (Phase2, v.8.0, [13]) Os limites da superfície de ruptura basal são determinados no modelo através do padrão dos vetores deslocamentos. Observa-se na figura 8 que os vetores deslocamentos são paralelos à superfície basal de ruptura e vão diminuindo progressivamente para o interior do talude até um limite definido como essa superfície basal. A inclinação dessa superfície é igual a 47° e sua altura é 25,563m (ver figura 8). Na figura 9 o contorno deformado das descontinuidades é mostrado. É nítido na figura 9 que a movimentação visível nas descontinuidades está acima da superfície basal de ruptura. A figura também evidencia que o movimento é típico de tombamento, com a flexão das descontinuidades dominantes e tendência de deslocamento da descontinuidade basal evidenciando um modo de ruptura similar ao modelo proposto por Liu et. al. [10], ver figura 5. Figura 9: Contorno deformado das descontinuidades (Phase2, v.8.0, [13]). Resultados do modelo analítico O mesmo modelo computacional foi analisado utilizando a proposição de Liu et. al. [10]. As mesmas condições geométricas foram assumidas. A posição da superfície de ruptura basal para o modelo de equilíbrio limite foi determinada a partir dos resultados do modelo numérico, como se viu anteriormente. Os parâmetros de entrada do modelo são fornecidos abaixo: Altura do modelo Espessura do bloco Peso específico do material Ângulo da linha normal à descontinuidade principal com o eixo x Ângulo de mergulho da família de descontinuidades secundária Ângulo do talude do talude com o eixo x Ângulo da superfície natural com a horizontal Ângulo da linha base Ângulo de atrito da descontinuidade ( Ângulo de atrito do bloco ( A transição do modo de ruptura de tombamento para deslizamento no modelo de Liu et. al. ocorre quando a equação (1) for verificada: [ ] [ { ] } onde: é o peso do bloco i { [ { [ ] ]{ } [ ] } } Os resultados do modelo analítico são apresentados na tabela 1. O bloco da crista é o de número 10. No modelo proposto por Liu et. al. [10], expresso na planilha apresentada por esses autores, os blocos estáveis não são considerados. Assim, o modo de ruptura por tombamento começa com o bloco de número 1 na tabela 1. O índice de esbeltez é igual a 11,79. Para esse índice de esbeltez, Liu et. al. não recomendam considerar o modelo contínuo, que seria válido quando o índice de esbeltez é maior que 15. Como é sempre menor que 1, todos os blocos no modelo sofrem tombamento. Os valores negativos de , observados nos blocos 20 e 21, devem ser desconsiderados, porque não têm sentido físico. Dessa forma, o conjunto é formado por 19 blocos sujeitos a tombamento. O valor de P na tabela 1 representa a força de suporte necessária para estabilização do conjunto de blocos. Seu valor calculado na tabela 1 indica o colapso do conjunto de blocos. Os resultados do modelo analítico e do modelo numérico são comparáveis. O modo de ruptura por tombamento é nitidamente observado nos dois modelos. O colapso do conjunto de blocos também é evidenciado nos dois modelos. CONCLUSÕES Neste trabalho um modelo analítico de equilíbrio limite e um modelo computacional de elementos finitos para estudo do modo de ruptura por tombamento de blocos foram utilizados. As duas ferramentas, embora sejam muito distintas com relação ao procedimento de cálculo, convergem para resultados similares. Pode-se dizer que as duas ferramentas se complementam nesse trabalho, já que os resultados do modelo numérico forneceram dados de entrada para o modelo analítico. Isso mostra uma desvantagem da aplicação somente do modelo analítico, já que a posição da superfície de ruptura basal deve ser assumida no modelo. Estudos mais aprofundados poderiam ser feitos no sentido de definir melhor essa superfície. Também seria de interesse aplicar o modelo de Goodman & Bray [1] para efeito de comparação, já que nesse modelo é possível determinar o ponto de transição dos blocos estáveis para o modo de ruptura por tombamento. Tabela 1: Resultados do modelo analítico (adaptado de Liu et. al., [10]). Geometric and Geotechnical Parameters H (m) t (m) 25,563 1,2 3 γ (kN/m ) 24 β (°) β b (°) β s (°) β g (°) β br (°) β sr (°) β gr (°) θ (°) θ r (°) As Ag φ d (°) φ b (°) 45 28 80 0 -17 35 -45 47 2 0,665 -1,035 24 43,6 S# Wi ψi W' i Ni fi m χ 1 85,503 0,588 4,813 4,813 0,506 10 11,788336 2 121,270 0,682 13,209 16,040 0,470 3 157,037 0,741 21,605 32,543 0,458 4 192,804 0,781 30,001 54,113 0,451 5 228,571 0,811 38,396 80,685 0,446 6 264,337 0,834 46,792 112,231 0,443 7 300,104 0,851 55,188 148,740 0,441 8 335,871 0,866 63,584 190,205 0,439 9 371,638 0,933 71,979 236,621 0,437 10 407,405 1,024 85,451 306,173 0,389 11 384,413 1,026 80,015 393,678 0,325 12 361,420 1,028 74,574 478,540 0,317 13 338,428 1,030 69,127 561,087 0,306 14 315,436 1,033 63,671 641,735 0,292 15 292,443 1,036 58,206 721,023 0,273 16 269,451 1,040 52,728 799,657 0,248 17 246,459 1,044 47,233 878,595 0,212 18 223,466 1,050 41,716 959,164 0,158 19 200,474 1,057 36,167 1043,280 0,075 20 177,482 1,068 30,572 1133,830 -0,065 21 154,489 1,082 24,909 1235,424 -0,335 22 131,497 1,105 19,130 1356,016 -0,990 23 108,505 1,144 13,144 1510,898 -4,066 24 85,513 1,230 6,716 1734,763 7,983 25 62,520 1,575 -0,949 2132,729 3,173 26 39,528 -0,150 -15,417 3343,357 2,483 27 16,536 0,713 24,546 -476,516 2,343 28 -6,457 0,836 -3,533 -343,074 2,201 29 -29,449 0,885 -12,170 -298,891 1,334 30 -52,441 0,912 -18,863 -283,388 0,792 31 -75,434 0,928 -24,958 -283,281 0,560 32 -98,426 0,939 -30,791 -293,715 0,457 33 -121,418 0,948 -36,487 -312,428 0,407 34 -144,411 0,954 -42,101 -338,200 0,380 fi P 39,317 Wi sin b [Wi ' ( i 1 1) N i 1 ](cos br tan d sin br ) {Wi cos b [Wi ' ( i 1 1) N i 1 ](tan d cos br sin br )} tan b Geometrical definitions Y βg Natural ground Dip Cut slope Base line θr βsr Normal to the dip β θ βs X Block toppling mode Y Stable set Block 1 Block m Toppling set Sliding set X REFERÊNCIAS BIBBLIOGRÁFICAS [1] Goodman, R. 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