ESTUDO COMPARATIVO DE DUAS TÉCNICAS DE LAVRA EM ...

UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS

CURSO DE MESTRADO EM GEOTECNIA E TRANSPORTES

ESTUDO COMPARATIVO DE DUAS TCNICAS

DE LAVRA EM BARRAGEM DE REJEITO SOB

O PONTO DE VISTA GEOTCNICO

Henrique Oliveira Alves

Belo Horizonte

2015

Henrique Oliveira Alves

ESTUDO COMPARATIVO DE DUAS TCNICAS

DE LAVRA EM BARRAGEM DE REJEITO SOB

O PONTO DE VISTA GEOTCNICO

Dissertao apresentada ao Curso de Mestrado em Geotecnia e

Transportes da Universidade Federal de Minas Gerais.

rea de concentrao: Geotecnia

Orientadora: Profa. Dra. Terezinha de Jesus Espsito Barbosa

Coorientador: Prof. Dr. Gustavo Ferreira Simes

Belo Horizonte

Escola de Engenharia da UFMG

2015

Alves, Henrique Oliveira. A474e Estudo comparativo de duas tcnicas de lavra em barragem de rejeito sob o ponto de vista geotcnico [manuscrito] / Henrique Oliveira Alves. 2015. xvii, 153 f., enc.: il.

Orientadora: Terezinha de Jesus Espsito Barbosa. Coorientador: Gustavo Ferreira Simes.

Dissertao (mestrado) Universidade Federal de Minas Gerais, Escola de Engenharia. Anexos: f. 105-132. Biografia: f. 96-104.

1. Mecnica do solo -Teses. I. Espsito, Terezinha de Jesus. II. Simes, Gustavo Ferreira. III. Universidade Federal de Minas Gerais. Escola de Engenharia. IV. Ttulo.

CDU: 624.13(043)

i

AGRADECIMENTOS

Agradeo a Deus por me iluminar durante esta jornada.

minha orientadora Prof. Dr Terezinha Espsito, pelos ensinamentos e apoio no

desenvolvimento deste trabalho.

Ao meu coorientador Prof. Dr Gustavo Simes, fundamental para o desenvolvimento dos

estudos aqui apresentados.

minha noiva Thas, pela compreenso nos momentos de ausncia e ajuda na etapa final do

trabalho.

minha famlia (Nelcio, Zez e Iara), por compreender minhas ausncias e apoiar em todos

os momentos.

UFMG, pela oportunidade de cursar o mestrado e por conceder toda estrutura necessria

para concluso do mesmo.

VOGBR Recursos Hdricos e Geotecnia, em especial meus coordenadores, Othvio

Marchi, Marnis Almeida e Anderson Silva, pelo incentivo na elaborao da dissertao.

ii

RESUMO

Com a escassez de recursos minerrios ricos, tal como hematita, a minerao de minrio de

ferro do Quadriltero Ferrfero, vem beneficiando, desde 1970, minrios de baixos teores,

como itabirito frivel. O novo desafio das mineradoras do Quadriltero Ferrfero est

relacionado com o beneficiamento de minrios de baixo teor estocados em barragens de

rejeitos e pilhas de estril. Estudos de viabilidade tcnico-financeira do aproveitamento do

rejeito estocado em barragens foram desenvolvidos por instituies de pesquisas e

mineradoras do estado de Minas Gerais. Permitiu-se, ento, a modernizao de usinas de

beneficiamento de minrio de ferro visando o aproveitamento de rejeitos. A retomada do

rejeito estocado em barragens pode ser realizada por mtodos via mida ou a seco. Foram

abordados nesta dissertao, os mtodos de desmonte hidrulico e mecnico, os quais

correspondem a processos via mida e a seco, respectivamente. O mtodo mecnico consiste

da escavao por meio de escavadeiras e transporte do rejeito por caminho at a usina. O

desmonte hidrulico ocorre por meio do lanamento de jatos de gua em alta presso no

material a ser desmontado, seguido de bombeamento at a usina de beneficiamento. Esta

dissertao buscou avaliar a influncia geotcnica destes mtodos na estrutura de disposio

de rejeitos selecionada. A estrutura de disposio de rejeitos corresponde a um Empilhamento

Drenado, constitudo por rejeitos arenosos dispostos por aterro hidrulico, desativado por 15

anos. Desse modo foram realizados estudos contemplando anlises de tenso deformao,

anlises de percolao, anlises de estabilidade e anlise do potencial de liquefao. De posse

dos resultados das simulaes numricas elaborados, constatou-se que o mtodo mecnico

pode no comprometer a estabilidade do Empilhamento Drenado. As simulaes numricas

indicaram que a prtica de retomada de rejeitos via desmonte hidrulico no Empilhamento

Drenado pode no ser capaz de instabilizar a estrutura. Entretanto, caso haja

comprometimento da eficincia do sistema de drenagem interna, o desmonte hidrulico pode

contribuir para o desenvolvimento de falhas.

iii

ABSTRACT

Iron ore mines located in Iron Quadrangle has been recovering poor grade ore since 1970, by

the shortage of high grade ore, as hematite. The mines next challenge is how to re-treats iron

ore from tailings deposits (tailings dams) and waste rock piles. Feasibilities studies were

carried by scientific institutions and mines in the state of Minas Gerais, Brazil. So,

metallurgical plants were modernized to enable tailings recovery. Tailings reclaiming can be

done with dry and wet methods. Mechanical reclamation and hydraulic mining were the

considered methods for this study. Mechanical reclamation involves earth-moving equipments

such as bulldozers, frontend loaders and trucks. Hydraulic mining involves jets of high

pressure monitors guns at the tailings and the slurry is pumped to the treatment complex. The

focus of this study was evaluating the geotechnical impact of these two reclamation methods

on a tailings storage facility. The tailing storage facility is a drained stacking of granular

tailings, constructed by hydraulic slurry placement, closed for 15 years. Thus, stress-strain,

seepage and stability analysis were carried out, including the assessment of the potential for

flow failure. Results showed that the mechanical reclamation does not affect the stability of

the Drained Stacking. Hydraulic mining, also, does not affect the stability of the Drained

Stacking. Despite, if the internal drainage system fails, hydraulic mining may induce failures.

iv

SUMRIO

1 INTRODUO ........................................................................................................................................... 1

2 OBJETIVOS ................................................................................................................................................ 3

3 REVISO DA LITERATURA ................................................................................................................... 4

3.1 CONTEXTUALIZAO ................................................................................................................................ 4

3.2 EMPILHAMENTOS DRENADOS .................................................................................................................... 8

3.2.1 Empilhamentos Drenados de Xingu e Monjolo (ESPSITO, 2000) ............................................. 10

3.2.2 Barragem do Fundo (REZENDE, 2013) ..................................................................................... 15

3.2.3 Empilhamento drenado a jusante da Barragem do Germano ....................................................... 18

3.3 ANLISE DE PERCOLAO EM BARRAGEM ALTEADA POR MONTANTE ................................................... 20

3.3.1 Fluxo em meios no saturados ...................................................................................................... 22

3.3.2 Curva Caracterstica de Suco .................................................................................................... 24

3.4 LIQUEFAO ........................................................................................................................................... 25

3.4.1 Avaliao do Potencial de Liquefao .......................................................................................... 27

3.5 MTODOS DE RETOMADA DO REJEITO ...................................................................................................... 33

3.6 DESMONTE HIDRULICO .......................................................................................................................... 35

3.6.1 Mina El Teniente, Rancagua, Chile .............................................................................................. 38

3.6.2 Minerao Caraba, Jaguarari, Bahia .......................................................................................... 41

3.6.3 Mina Los Bronces, Santiago, Chile ............................................................................................... 42

3.6.4 Kalgoorlie, Austrlia ..................................................................................................................... 43

3.7 DRAGAGEM ............................................................................................................................................. 43

3.8 MTODO MECNICO ................................................................................................................................ 44

4 METODOLOGIA...................................................................................................................................... 46

v

4.1 EMPILHAMENTO DRENADO ..................................................................................................................... 46

4.2 ANLISE DE ESTABILIDADE DO EMPILHAMENTO DRENADO .................................................................... 47

4.3 ANLISE DE ESTABILIDADE DO TALUDE DE ESCAVAO ......................................................................... 49

4.4 ANLISE DE TENSO DEFORMAO DO EMPILHAMENTO DRENADO DURANTE ESCAVAO MECANIZADA

49

4.5 ANLISE DE PERCOLAO DO EMPILHAMENTO DRENADO SUBMETIDO AO DESMONTE HIDRULICO...... 51

4.5.1 Modelagem Preliminar ................................................................................................................. 52

4.5.2 Modelagem Bidimensional ............................................................................................................ 53

4.6 AVALIAO DO POTENCIAL DE LIQUEFAO DO EMPILHAMENTO DRENADO SUBMETIDO AO DESMONTE

HIDRULICO ..................................................................................................................................................... 54

5 ESTUDO DE CASO .................................................................................................................................. 56

5.1 CENRIO INICIAL ..................................................................................................................................... 56

5.2 CARACTERIZAO DOS MATERIAIS ......................................................................................................... 56

5.3 RETOMADA DE REJEITO ........................................................................................................................... 59

5.3.1 Retomada por Desmonte Hidrulico ............................................................................................. 61

5.3.2 Retomada pelo Mtodo Mecnico ................................................................................................. 64

6 RESULTADOS E DISCUSSES ............................................................................................................. 65

6.1 EMPILHAMENTO DRENADO ..................................................................................................................... 65

6.2 AVALIAO DA INCLINAO DOS TALUDES ESCAVADOS ........................................................................ 66

6.2.1 Escavao Mecanizada ................................................................................................................. 67

6.2.2 Desmonte Hidrulico .................................................................................................................... 67

6.3 ANLISE DE TENSO-DEFORMAO ....................................................................................................... 69

6.4 DESMONTE HIDRULICO SIMULAES NUMRICAS ............................................................................. 73

6.4.1 Modelagem Preliminar ................................................................................................................. 74

vi

6.4.2 Anlise de Percolao ................................................................................................................... 78

6.4.3 Consumo de gua .......................................................................................................................... 82

6.4.4 Anlise de Estabilidade ................................................................................................................. 85

6.4.5 Avaliao do Potencial de Liquefao .......................................................................................... 87

7 CONSIDERAES FINAIS .................................................................................................................... 91

REFERNCIAS .................................................................................................................................................. 96

APNDICE A ANLISES DE ESTABILIDADE TALUDES ESCAVADOS ...................................... 105

APNDICE B ANLISES DE PERCOLAO ........................................................................................ 131

vii

LISTA DE FIGURAS Figura 3.1 Classificao da Barragem I da Mina Crrego do Feijo segundo teor de ferro

(GOMES, 2009a). ..................................................................................................................6

Figura 3.2 Empilhamento Drenado do Xingu (GOMES, 2009b). ...................................... 10

Figura 3.3 Empilhamento Drenado do Monjolo. ............................................................... 11

Figura 3.4 Faixas granulomtricas dos rejeitos dos empilhamentos (ESPSITO, 2000). ... 12

Figura 3.5 Relao entre teor de ferro e massa especfica dos gros (ESPSITO, 2000). .. 13

Figura 3.6 Variao do teor de ferro com o afastamento do ponto de lanamento de rejeito

do Empilhamento Drenado de Xingu (ESPSITO, 2000). .................................................... 13

Figura 3.7 Variao do teor de ferro com o afastamento do ponto de lanamento de rejeito

do Empilhamento Drenado de Monjolo (ESPSITO, 2000). ................................................ 13

Figura 3.8 Relao de porosidade com o ngulo de atrito determinado em ensaios de

compresso triaxial CD (ESPSITO, 2000). ........................................................................ 14

Figura 3.9 Relao entre ngulo de atrito (ensaio triaxial CU) e porosidade (ESPSITO,

2000) .................................................................................................................................... 14

Figura 3.10 Barragem do Fundo Samarco Minerao S.A. (REZENDE, 2013). ............ 15

Figura 3.11 - Relao entre teor de ferro e peso especfico dos gros (REZENDE, 2013). ... 16

Figura 3.12 Relao entre distncia do ponto de lanamento e peso especfico dos slidos

(REZENDE, 2013). .............................................................................................................. 16

Figura 3.13 Curvas granulomtricas das amostras de rejeitos da Barragem do Fundo

(REZENDE, 2013). .............................................................................................................. 17

Figura 3.14 Leituras piezomtricas do Empilhamento Drenado da Barragem do Germano

(Adaptado de vila, 2011). ................................................................................................... 19

Figura 3.15 Segregao hidrulica proposta por Vick (1990). ........................................... 21

viii

Figura 3.16 Modelo terico de variao da condutividade hidrulica esperado para o

empilhamento drenado do Monjolo (SANTOS, 2004). ......................................................... 22

Figura 3.17 Distribuio de poropresso tpica de um horizonte de solo (QUEVEDO,

2008). ................................................................................................................................... 23

Figura 3.18 Faixas granulomtricas de materiais com potencial de liquefao (modificado

de ISHIARA et al., 1980). .................................................................................................... 26

Figura 3.19 Grficos de um ensaio triaxial no drenado: (a) tenso confinante efetiva; (b)

ndice de vazios x tenso confinante efetiva; (c) Tenso x deformao e; (d) trajetria de

tenses (modificado de POULOS et al, 1985). ...................................................................... 29

Figura 3.20 Determinao da linha de estado permanente obtida por meio de seis ensaios

triaxiais no drenados (modificado de POULOS et al., 1985). .............................................. 30

Figura 3.21 Estado permanente das amostras indeformadas (modificado de POULOS et al,

1985). ................................................................................................................................... 30

Figura 3.22 Resistncia no drenada do estado permanente obtidas das amostras

indeformadas (modificado de POULOS et al, 1985). ............................................................ 31

Figura 3.23 Correo da resistncia do Estado Permanente pela diferena entre os ndices

de vazios in situ e do ensaio triaxial (modificado de POULOS et al, 1985). .......................... 32

Figura 3.24 Relao de ' e Ssu para a Pilha do Xingu (ESPSITO, 2000). ....................... 33

Figura 3.25 Desmonte hidrulico na Barragem da Mina El Teniente, Chile (PIGNATON,

2010) .................................................................................................................................... 35

Figura 3.26 Fluxograma do processo de desmonte hidrulico. .......................................... 35

Figura 3.27 Canho hidrulico manual (a) e mecnico (b)................................................. 36

Figura 3.28 Canho hidrulico esttico (a) e com mveis (b). ........................................... 36

Figura 3.29 Desmonte hidrulico pela face em Kalgoorlie, Western Australia

(TAILINGS.INFO, 2014). .................................................................................................... 37

ix

Figura 3.30 Desmonte hidrulico por bancada em operaes da Minera Valle Central

(MVC, 2015). ....................................................................................................................... 38

Figura 3.31 Operaes da MVC nos depsitos Colihues e Cauquenes. Adaptado de

Henderson (2013). ................................................................................................................ 40

Figura 3.32 Canal para transporte de rejeitos da Usina de El Teniente (HENDERSON,

2013). ................................................................................................................................... 40

Figura 3.33 Desmonte hidrulico na Barragem Colihues (HENDERSON, 2013). ............. 40

Figura 3.34 Esquema para retomada de rejeitos Minerao Caraba (PIGNATON, 2010).

............................................................................................................................................. 42

Figura 3.35 Retomada de rejeito por desmonte hidrulico Los Bronces

(TAILINGS.INFO, 2014). .................................................................................................... 42

Figura 3.36 Desmonte hidrulico pela face em barragens na cidade de Kalgoorlie, Austrlia

(TALINGS.INFO, 2014). ..................................................................................................... 43

Figura 3.37 Escavao mecnica por meio de draglines (JOYGLOBAL, 2015). ............... 44

Figura 4.1 Seo Tpica do Empilhamento Drenado.......................................................... 46

Figura 4.2 Planta do Empilhamento Drenado .................................................................... 47

Figura 4.3 Curva cota rea volume do Empilhamento Drenado. ........................................ 47

Figura 4.4 Seo Tpica do Empilhamento Drenado utilizado na anlise de estabilidade. .. 48

Figura 4.5 Malha do modelo preliminar (Detalhe do topo). ............................................... 53

Figura 4.6 Modelo para anlise de percolao. .................................................................. 54

Figura 5.1 Curva de reteno do rejeito (GOMES et. al., 1999). ....................................... 58

Figura 5.2 Curva de condutividade hidrulica do rejeito pelo modelo de van Genuchten. .. 58

Figura 5.3 Sequenciamento da operao do desmonte hidrulico. .................................... 62

x

Figura 5.4 Diviso do reservatrio. ................................................................................... 63

Figura 6.1 Anlise de Estabilidade Empilhamento Drenado. .......................................... 66

Figura 6.2 Anlise de sensibilidade da variao do FS mdio em relao a inclinao do

talude e o Fator Ru. .............................................................................................................. 69

Figura 6.3 Tenses totais na direo horizontal 5 Etapa - n=41%. ................................. 71

Figura 6.4 - Tenses totais na direo horizontal 5 Etapa - n=48%. .................................. 72

Figura 6.5 - Tenses totais na direo horizontal 5 Etapa - n=56%. .................................. 72

Figura 6.6 - Tenses totais na direo vertical 5 Etapa - n=41%. ...................................... 72

Figura 6.7 - Tenses totais na direo vertical 5 Etapa - n=48%. ...................................... 72

Figura 6.8 Tenses totais na direo horizontal 5 Etapa - n=56%. ................................. 73

Figura 6.9 Infiltrao diria resultante dos modelos com a Condio de Contorno A. ....... 74

Figura 6.10 Variao de umidade volumtrica Suco Inicial de 6kPa Condio de

Contorno A. .......................................................................................................................... 75

Figura 6.11 Variao de umidade volumtrica Suco Inicial de 6kPa Condio de

Contorno B. .......................................................................................................................... 75

Figura 6.12 - Variao de umidade volumtrica Suco Inicial de 20kPa Condio de

Contorno A. .......................................................................................................................... 76


Contorno B. .......................................................................................................................... 76


Contorno A. .......................................................................................................................... 76


Contorno B. .......................................................................................................................... 76

xi

Figura 6.16 - Variao de umidade volumtrica at o 7 dia Suco Inicial 6 kPa Condio

de Contorno A. ..................................................................................................................... 77

Figura 6.17 Carga Total Suco = 6 kPa Condio de Contorno A Cenrio Normal. 79

Figura 6.18 Carga Total Suco = 6 kPa Condio de Contorno B Cenrio Normal. 79

Figura 6.19 - Carga Total Suco = 20 kPa Condio de Contorno A - Cenrio Normal.79

Figura 6.20 - Carga Total Suco = 20 kPa Condio de Contorno B - Cenrio Normal. 79

Figura 6.21 - Carga Total Suco = 80 kPa Condio de Contorno A - Cenrio Normal.79

Figura 6.22 - Carga Total Suco = 80 kPa Condio de Contorno B - Cenrio Normal. 79

Figura 6.23 Carga Total - Suco = 6 kPa Condio de Contorno A Cenrio Crtico ... 80

Figura 6.24 Carga Total Suco = 6 kPa Condio de Contorno B Cenrio Crtico. . 80

Figura 6.25 Carga Total Suco = 20 kPa Condio de Contorno A Cenrio Crtico.

............................................................................................................................................. 81

Figura 6.26 Carga Total Suco = 20 kPa Condio de Contorno B Cenrio Crtico.81

Figura 6.27 Carga Total Suco = 80 kPa Condio de Contorno A Cenrio Crtico. 81

Figura 6.28 Carga Total Suco = 80 kPa Condio de Contorno B Cenrio Crtico.81

Figura 6.29 Variao do nvel dgua com o processo de desmonte hidrulico no cenrio

crtico (Condio de Contorno A). ........................................................................................ 82

Figura 6.30 Carga Total Suco = 6 kPa Condio de Contorno A Drenagem Interna

colmatada. ............................................................................................................................ 82

Figura 6.31 - Anlise de Estabilidade Desmonte Hidrulico Linha Fretica (Figura 6.17)

............................................................................................................................................. 86

Figura 6.32 Anlise de Estabilidade Desmonte Hidrulico Cenrio Crtico (Figura

6.23). .................................................................................................................................... 86

xii

Figura 6.33 Anlise de Estabilidade Desmonte Hidrulico Linha Fretica Extrema ..... 87

Figura 6.34 Anlise de Estabilidade Desmonte Hidrulico Potencial de Liquefao

Cenrio Normal. ................................................................................................................... 88

Figura 6.35 - Anlise de Estabilidade Desmonte Hidrulico Potencial de Liquefao

Cenrio Crtico. .................................................................................................................... 90

xiii

LISTA DE TABELAS

Tabela 3.1 Teor de Ferro Mdio de Rejeitos de Usinas e estocados em Barragens de Minas

do Quadriltero Ferrfero. .......................................................................................................8

Tabela 3.2 Mtodos de disposio de rejeito arenoso e lama (GOMES, 2009b). ..................9

Tabela 3.3 Caracterizao de rejeitos do Empilhamento Drenado de Xingu e Monjolo

(ESPSITO, 2000). .............................................................................................................. 12

Tabela 3.4 Faixa de variao de (ESPSITO, 2000). .................................................... 14

Tabela 3.5 Caractersticas dos rejeitos da Samarco depositados na Barragem do Germano

em 1999 (JULI JNIOR, 2004). ........................................................................................ 20

Tabela 3.6 - Caractersticas do rejeito arenoso do empilhamento drenado a jusante da

Barragem do Germano (VILA, 2011). ............................................................................... 20

Tabela 3.7 Parmetros do modelo de van Genuchten para rejeito arenoso. ........................ 25

Tabela 3.8 - Vantagens e desvantagens de mtodos de retomada de rejeito (MUIR et al,

2005). ................................................................................................................................... 34

Tabela 3.9 Comparao entre os tipos de canhes (ENGELS et al., 2004)......................... 36

Tabela 3.10 Parmetros de canhes hidrulicos em funo do tipo de solo (KOVCS &

GYRGY, 1991). ................................................................................................................ 37

Tabela 4.1 Durao das etapas de escavao mecanizada. ................................................. 51

Tabela 5.1 - Caractersticas do rejeito constituinte do Empilhamento Drenado (ESPSITO,

2000). ................................................................................................................................... 57

Tabela 5.2 Umidade Volumtrica e Suco Calculadas para o rejeito do Empilhamento

Drenado. ............................................................................................................................... 57

Tabela 5.3 Relao de Esec por tenso confinante (Espsito, 2000). ................................... 59

xiv

Tabela 5.4 Parmetros do Dique de Partida do Empilhamento Drenado. ........................... 59

Tabela 5.5 Densidade e umidade do rejeito utilizada para calculo das taxas de retomada de

rejeito. .................................................................................................................................. 60

Tabela 5.6 Dados operacionais da retomada de rejeito. ..................................................... 60

Tabela 5.7 Dados operacionais da retomada de rejeito da rea 1. ..................................... 62

Tabela 6.1 Fatores de Segurana e Probabilidade de falha Empilhamento Drenado. ....... 65

Tabela 6.2 Fatores de Segurana e Probabilidade de falha Mtodo de Mecnico - Fator Ru

= 0. ....................................................................................................................................... 67

Tabela 6.3 Fatores de Segurana e Probabilidade de falha Desmonte Hidrulico Fator

Ru = 0. ................................................................................................................................. 68


Ru = 0,05.............................................................................................................................. 68


Ru = 0,10.............................................................................................................................. 68


Ru = 0,15.............................................................................................................................. 68


Ru = 0,20.............................................................................................................................. 69

Tabela 6.8 Deslocamentos (m) mximos obtidos na modelagem do ED (n=41%). ............ 70

Tabela 6.9 Deslocamentos (m) mximos obtidos na modelagem do ED (n=48%). ............ 70

Tabela 6.10 Deslocamentos (m) obtidos na modelagem do Empilhamento Drenado

(n=56%). .............................................................................................................................. 71

Tabela 6.11 Fatores de segurana calculados nas anlises de estabilidade. ........................ 73

xv

Tabela 6.12 Profundidade da frente de saturao em 30 dias. ............................................ 77

Tabela 6.13 Volume infiltrado na rea 01 durante 360 dias. ............................................. 83

Tabela 6.14 Clculo da razo de consumo de gua por rejeito total escavado. ................... 84

Tabela 6.15 Consumo de gua estimado para desmonte hidrulico no Empilhamento

Drenado. ............................................................................................................................... 84

Tabela 6.16 Fatores de Segurana e Probabilidade de falha Empilhamento Drenado

submetido ao desmonte hidrulico. Cenrio Normal. ......................................................... 85


submetido ao desmonte hidrulico Cenrio Crtico. ........................................................... 85


Linha Fretica Extrema ........................................................................................................ 87


Potencial de Liquefao Cenrio Normal. .......................................................................... 89


Potencial de Liquefao Cenrio Crtico. ........................................................................... 89

xvi

LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E SMBOLOS

% Porcentagem

ngulo de Atrito Total

Coeficiente de Poisson

Suco

m Potencial matricial

o Potencial osmtico

t Potencial total

Teor de Umidade Volumtrica

ngulo de Atrito Efetivo

r Teor de Umidade Volumtrica Residual

s Teor de Umidade Volumtrica Saturada

ABNT Associao Brasileira de Normas Tcnicas

an, ng e mg Parmetros do modelo de van Genuchten

BMR Barragem Alteada para Montante com Rejeito

BMS Barragem Alteada para Montante com Solo Compactado

BRC Barragem Alteada por Linha de Centro com Rejeito Ciclonado

c Coeso Total

c Coeso Efetiva

CPT Cone Penetration Test

DNPM Departamento Nacional de Produo Mineral

e ndice de vazios

ED Empilhamento Drenado

Fe Ferro

Gs Peso Especifico Relativo dos Slidos

k Condutividade Hidrulica

KCGM Kalgoorlie Consolidated Gold Mines

ks Condutividade Hidrulica Saturada

kx Condutividade Hidrulica na Direo Horizontal

ky Condutividade Hidrulica Saturada na Direo Vertical

MVC Minera Valle Central

xvii

n Porosidade

NBR Norma Brasileira

SiO2 Dixido de Silcio

SPT Standard Penetration Test

Ssu Resistncia No Drenada do Estado Permanente

USBR United States Bureau of Reclamation

w Teor de Umidade

Densidade Natural do Solo

d Densidade Aparente Seca

s Densidade dos Slidos

1

1 INTRODUO

A atividade mineradora um importante segmento da economia brasileira, estando presente

no pas desde a poca de Brasil Colnia. A minerao de minrio de ferro no Brasil,

especialmente no Quadriltero Ferrfero (MG), explorou a hematita, rica em ferro, com teores

superiores a 60% desde o sculo XVIII. A partir de 1970, em virtude da escassez de hematita,

iniciou-se o perodo de explorao do itabirito frivel e de baixos teores.

O novo desafio da minerao de ferro no Brasil est relacionado com o beneficiamento de

minrios de baixos teores. Esta nova fase denominada como a Terceira onda da minerao

(GOMES, 2012). Os minrios de baixos teores so provenientes de camadas intocadas do

subsolo, pilhas de estril e barragens de rejeitos.

Algumas camadas do subsolo, principalmente as constitudas por itabiritos compactos,

tambm no foram lavradas por serem consideradas inviveis em termos tcnico-financeiros.

Estas camadas so facilmente encontradas nas cavas existentes no Quadriltero Ferrfero.

Os materiais classificados como estril, tais como itabirito compacto, apesar de possurem

teores de minrio de ferro satisfatrios, no foram beneficiados por motivos tcnicos e

econmicos no momento da lavra. Desse modo, esses materiais foram estocados em depsitos

denominados pilhas de estril.

O material processado pela usina de beneficiamento que no apresenta viabilidade tcnico-

financeira de aproveitamento no momento do processamento denominado rejeito. Este

material estocado em barragens e pilhas.

Observa-se que rejeitos estocados em determinadas estruturas de disposio de rejeitos

possuem teores de minrio superiores a algumas jazidas. As estruturas mais antigas que

receberam rejeitos oriundos de usinas de beneficiamento com baixas taxas de recuperao

apresentam maiores teores de minrio de ferro.

Alm do maior teor de minrio das estruturas de disposio de rejeitos frente as jazidas, cita-

se o preo e a demanda pelo minrio como fatores que podem impulsionar a lavra desses

depsitos. Essa atividade uma realidade mundial, sobretudo, em minas de ouro (WILLS &

2

NAPIER-MUNN, 2006). No Brasil, a prtica vem se difundindo em funo de oportunidades

de mercado e necessidades das empresas mineradoras.

As operaes de retomada de rejeitos de barragens ou pilhas podem ocorrer por meio de

mtodos a seco (escavao mecanizada) e hidrulicos (desmonte hidrulico e dragagem),

dependendo das caractersticas do depsito, da rea disponvel de trabalho e de alternativas de

transporte e estocagem.

Segundo o Inventrio Estadual de Barragens de Minas Gerais (FEAM, 2013), o ramo de

minerao possui 454 barragens. Estas barragens foram classificadas em relao ao dano

ambiental potencial, sendo que quanto maior o dano maior a classe (Classes I, II e III). Dentro

do setor de minerao, 163 e 153 barragens foram classificadas como Classe II e III,

respectivamente.

Tendo em vista o potencial dano associado a estas estruturas, qualquer interveno, tais como

operaes de lavra, deve ser acompanhada de estudos geotcnicos. Estes estudos geotcnicos

devem subsidiar o projeto de desmonte destas barragens, visando garantir a segurana das

partes diretamente e indiretamente envolvidas, tais como operrios e populao do entorno.

De acordo com as caractersticas da barragem e do mtodo de desmonte proposto, o projeto

geotcnico de lavra pode contemplar estudos de tenso-deformao, percolao e

estabilidade. Estes estudos devem abranger os possveis mecanismos de falha que podem ser

desenvolvidos durante o processo de desmonte.

Durante o processo de escavao de uma barragem, podem se desenvolver deformaes que,

quando no controladas, podem promover a ocorrncia de rupturas. No caso de uma retomada

de rejeitos a partir do desmonte hidrulico, pode-se dizer que a adio de gua na estrutura de

disposio de rejeitos poderia gerar condies no previstas no momento de sua concepo.

3

2 OBJETIVOS

Neste contexto, esta dissertao tem como objetivo principal avaliar o comportamento de uma

barragem de rejeitos de minrio de ferro construda na forma de empilhamento drenado e

lavrada utilizando as tcnicas de desmonte hidrulico e escavao mecanizada sob o ponto de

vista geotcnico, por meio de simulaes numricas. Como objetivos especficos deste

trabalho, citam-se:

Coletar e sintetizar informaes relacionadas lavra de depsitos de rejeitos;

Simular numericamente e comparar o comportamento geotcnico de um empilhamento

drenado submetido a lavra pelos mtodos de desmonte hidrulico e escavao mecanizada;

Definir ngulos de escavao pelos mtodos de desmonte hidrulico e escavao

mecanizada;

Analisar numericamente a estabilidade fsica de um empilhamento drenado em processo de

retomada pelas tcnicas de desmonte hidrulico e escavao mecanizada;

Simular numericamente a percolao de gua proveniente de operaes de desmonte

hidrulico em um empilhamento drenado;

Avaliar o potencial de liquefao de um empilhamento drenado quando em processo de

desmonte hidrulico;

Estimular o desenvolvimento de projetos de pesquisas relacionados ao tema de desmonte

de barragens de rejeitos, tendo em vista que se trata de um tema carente de estudos

acadmicos e;

Fornecer subsdios tcnicos para elaborao de projetos relacionados de lavra de barragens

de rejeitos, sobretudo empilhamentos drenados.

4

3 REVISO DA LITERATURA

Neste captulo apresenta-se a contextualizao do cenrio atual da minerao brasileira, tendo

em vista a utilizao de rejeito como minrio, correlacionando com casos em outros pases.

So relacionados, tambm, os mtodos de disposio de rejeitos, detalhando o empilhamento

drenado. Alm disso, so enumerados e descritos os mtodos disponveis para retomada de

rejeito.

3.1 Contextualizao

O ferro constitui cerca de 5,6% (em massa) da crosta terrestre, representando o quarto

elemento mais abundante (WILLS & NAPIER-MUNN, 2006). O minrio de ferro uma das

matrias-primas mais antigas, tendo seu consumo aumentado desde o Perodo Neoltico

(TAKEHARA, 2004). utilizado principalmente na indstria siderrgica para produo de

ferro-gusa e ferro-esponja, os quais so transformados em ao (QUARESMA, 2001).

Segundo o DNPM (2013) as reservas lavrveis brasileiras, com teor mdio de 50,3%,

representam 11,7% das reservas mundiais de minrio de ferro. Em 2012, a produo brasileira

de minrio de ferro atingiu 400,8Mt (milhes de toneladas), com teor mdio de 64,4% de

ferro, sendo o estado de Minas Gerais responsvel por 69,2% deste total.

O processo de beneficiamento de minrio tem a funo de separar os minerais de interesse e

prepar-los para transporte e fundio (WILLS & NAPIER NUM, 2006). Durante o

tratamento do minrio, alm do produto final, gerado um subproduto, denominado rejeito,

que apresenta, ainda, baixa viabilidade de aproveitamento, seja em termos tecnolgicos ou

econmicos.

Conforme a NBR 13.028 (ABNT, 2006), rejeito todo e qualquer material no aproveitvel

economicamente, gerado durante o processo de beneficiamento de minrios.

As caractersticas geotcnicas, fsico-qumicas e mineralgicas do rejeito dependero do tipo

de minrio explorado e do processo de beneficiamento (ESPSITO, 2000). Os rejeitos podem

ser classificados quanto a sua granulometria em finos (lamas) e granulares, os quais

apresentam dimetro dos gros superior a 0,074mm.

5

Segundo Wolff (2009), os rejeitos podem apresentar teores considerveis dos minerais de

interesse em funo de processos de beneficiamento ineficientes, caractersticos de usinas

com baixa recuperao de minrio. A presena de elevados teores de minrios em rejeitos

um fator que corrobora o desenvolvimento de projetos de recuperao de minrios a partir de

depsitos de rejeitos.

Segundo Gomes (2012), de 1940 a 1960, a minerao no Brasil explorou a hematita, rica em

ferro, com teores superiores a 60%. A partir de 1970, iniciou-se o perodo de explorao e

tratamento do itabirito frivel e de baixos teores. O novo desafio da minerao de ferro, no

Brasil, est relacionado com o beneficiamento de minrios de baixos teores, provenientes de

barragens de rejeitos, pilhas de estril e camadas intocadas do subsolo. Esta nova fase

denominada a Terceira Onda da Minerao.

A viabilidade da recuperao de rejeitos depende de alguns fatores, tais como teor de minrio

do rejeito, preo do minrio, custo de explorao, escala de extrao, eficincia do processo e

reserva global do minrio (GODFREY et. al., 2007).

Segundo Wills & Napier-Munn (2006), unidades de reprocessamento de rejeito de ouro

tendem a ser mais comuns em funo do valor do produto final. No entanto, existem usinas de

beneficiamento em operao e com potencial de extrao de outros minerais atravs de

rejeitos.

Com o desenvolvimento de tecnologias economicamente viveis que permitam a extrao e

processamento de rejeitos, as estruturas de disposio de rejeito, tais como barragens e pilhas

de rejeito, se tornaro uma importante fonte de ferro (WOLFF, 2009). Atualmente, o

reprocessamento dos rejeitos das barragens uma realidade na minerao brasileira. Com a

utilizao de tecnologias de aproveitamento de minrios provenientes de barragens, a Vale

recuperou, at o ano de 2014, 5,2 milhes de toneladas de minrio de ferro (VALE, 2015).

A Vale, uma das maiores exportadoras de minrio de ferro do mundo, lanou em 2013,

projetos de expanso em seis minas, nos complexos de Itabira e Vargem Grande, localizados

no Quadriltero Ferrfero (MG), com investimentos da ordem de US$ 5,5 bilhes. O objetivo

destes projetos adaptar as usinas de beneficiamento existentes permitindo o processamento

do itabirito compacto, o qual est estocado em pilha, e rejeitos, dispostos em barragens. Existe

6

ainda a expectativa de se desenvolver projetos semelhantes nas outras 13 minas da Vale,

localizadas no estado de Minas Gerais (GES, 2013). De acordo com o Relatrio de

Desempenho da Vale (VALE, 2015) do Quarto Trimestre de 2014, os projetos Conceio

(Itabiritos II) e Vargem Grande (Itabiritos) foram concludos, e Cau (Itabiritos) ser

concludo em 2015.

Gomes (2009a) realizou um estudo do aproveitamento de minrio de ferro contido nos rejeitos

da Barragem I da Mina Crrego do Feijo, localizada no municpio de Brumadinho, a cerca

de 50 km de Belo Horizonte. A Barragem I uma estrutura alteada por montante, com diques

construdos com o prprio rejeito e lanamento de rejeito pela crista (spray bar). Durante o

perodo de operao desta barragem, adotou-se uma praia mnima de 100m. A partir de uma

campanha de caracterizao do rejeito da Barragem I, Gomes (2009a) separou a estrutura em

trs domnios definidos pelo teor de ferro mdio, conforme mostrado na Figura 3.1. Em

funo da segregao hidrulica, o domnio mais prximo crista da barragem, ponto de

lanamento de rejeito, apresentou maior teor de ferro (> 55%).

Figura 3.1 Classificao da Barragem I da Mina Crrego do Feijo segundo teor de ferro (GOMES,

2009a).

Gomes (2009a) avaliou rotas de processo para a recuperao do minrio dos rejeitos com teor

de minrio de ferro superior a 55%. Neste estudo, o autor indicou a utilizao de separao

magntica, a qual seria capaz de recuperar 90,81% do minrio, obtendo-se um produto com

67,54% de ferro. O autor ainda recomendou o estudo para concentrao do rejeito mais pobre

utilizando separadores magnticos tipo Slon e flotao.

7

Um estudo de alternativas para tratamento dos rejeitos finos da Mina do Pico foi realizado por

Santos (2010). O rejeito em questo apresenta 49% de teor de ferro mdio e 90% das

partculas inferiores a 13,1 m. Santos (2010) conseguiu produzir, em escala laboratorial,

concentrados com teor de ferro variando de 56 a 64%, dependendo a rota de processo

avaliada.

Estudos de viabilidade de implantao de projetos de recuperao de minrio a partir de

rejeitos tambm foram desenvolvidos no Amap e na Bahia. Em 2011, a Anglo American

iniciou estudos de viabilidade para recuperao de minrio de ferro do rejeito da Barragem 03

do Sistema Amap (GOMES, 2012). A elaborao do projeto detalhado foi subsidiada pela

caracterizao do rejeito depositado na barragem e pesquisa de rotas de processos. Este estudo

estimou o custo operacional de beneficiamento do minrio da Barragem 03 em US $ 8,48 por

tonelada. O custo operacional da planta atual encontra-se em torno de US $ 24,00 por

tonelada. O custo de implantao desse projeto de US $ 2,5 milhes (GOMES, 2012). Em

2013 o Sistema Amap foi vendido pela Anglo American para a Zamin Ferrous (ROSTS,

2013).

A Minerao Caraba, localizada em Jaguari (BA), estudou, em 2007, a possibilidade de

utilizar o rejeito de cobre estocado na barragem, distante de 5 km da planta de

beneficiamento, para obteno de vandio e ferro (PIGNATON, 2010). De acordo com o

estudo de viabilidade elaborado por Pignaton (2010), foi possvel obter recuperao de lavra

superior a 90%.

Na Tabela 3.1 apresenta-se o teor de ferro mdio de amostras de rejeito coletadas em

estruturas de disposio de rejeitos de complexos minerrios localizados no Quadriltero

Ferrfero. Ressalta-se que os teores de ferro informados na Tabela 3.1 foram obtidos com foco

geotcnico, no tendo objetivo de prospectar as estruturas com vistas ao beneficiamento.

Dentre as estruturas de disposio de rejeitos listadas na Tabela 3.1, destacam-se a Pilha do

Xingu, Barragem I e Barragem Forquilha II, quanto ao teor de ferro.

Espsito (2000) caracterizou o rejeito estocado nas Pilhas do Xingu e do Monjolo, localizadas

nas minas de Alegria e Morro Agudo, de propriedade no momento do estudo da Samitri S.A.

8

Minerao da Trindade. Atualmente estas minas pertencem a Vale. Estas pilhas foram

construdas com rejeito, lanado pela crista da estrutura pela tcnica de aterro hidrulico.

Espsito (2000) identificou uma segregao hidrulica das partculas de rejeito, semelhante ao

observado por Gomes (2009a) na Barragem I da mina Crrego do Feijo. Foi observado,

nesses estudos, que o teor de ferro do rejeito aumenta quanto mais prximo ao talude de

jusante, ou seja, do ponto de lanamento de rejeito.

Tabela 3.1 Teor de Ferro Mdio de Rejeitos de Usinas e estocados em Barragens de Minas do Quadriltero Ferrfero.

Mina Origem do Rejeito Amostrado Estrutura de Disposio de

Rejeitos

Fe (%)

Autor

Morro Agudo Pilha do Monjolo ED 22,4 Espsito (2000)

Alegria Pilha do Xingu ED 50,3 Espsito (2000)

Germano Barragem do Germano ED 14,2 Pereira (2001)

Germano Cava do Germano ED 19,9 Pereira (2005)

Crrego do Feijo Barragem I BMR 48,1 Gomes (2009a)

Alegria Barragem de Campo Grande BRC 42,4 Pereira (2005)

Timbopeba Barragem de Crrego do Doutor BRC 19,6 Pereira (2005)

Fbrica Barragem Forquilha II BMS 47,9 Pereira (2005)

Fbrica Barragem Forquilha III BMS 34,4 Pereira (2005)

ED: Empilhamento Drenado; BMR: Barragem alteada para montante com rejeito; BRC: Barragem de alteada por linha de centro com Rejeito Ciclonado; BMS: Barragem alteada para montante com solo compactado.

3.2 Empilhamentos Drenados

A disposio de rejeitos das usinas de beneficiamento de minrio pode ser realizada por

diversos mtodos, tais como: barragens de conteno de rejeitos com disposio subarea,

subaqutica, rejeitos espessados, rejeitos filtrados; aterro hidrulico; empilhamento drenado;

disposio em cava; codisposio de rejeitos e estreis e; disposio compartilhada de rejeitos

e estreis.

Gomes (2009b) correlacionou as caractersticas dos rejeitos com os mtodos de disposio

aplicveis, tendo em vista que alguns parmetros podem definir diretamente ou indiretamente

a tcnica de disposio (GOMES, 2009b).

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Tabela 3.2 Mtodos de disposio de rejeito arenoso e lama (GOMES, 2009b). Parmetro Geotcnico Caractersticas Forma de Disposio Aplicvel

Granulometria

Rejeito arenoso: 90% acima de 0,074 mm

Barragem convencional Barragem alteada com rejeito Empilhamento drenado Rejeito filtrado

Lama: 90% abaixo de 0,074 mm

Barragem convencional Rejeito espessado

Massa especfica dos gros (s)

Rejeito arenoso: s < 4g/cm


Lama: s > 4g/cm


Permeabilidade (k)

Rejeito arenoso: k = 10-2 a 10-4 cm/s


Lama: k = 10-6 a 10-11 cm/s


Coeso (c)

Rejeito arenoso: c = 0 kPa


Lama: c > 0 kPa


A disposio de rejeitos sob a forma de empilhamento drenado caracterstica de rejeitos

arenosos. Os rejeitos arenosos so transportados sob a forma de polpa e depositados pela

tcnica de aterro hidrulico. Inicialmente, construdo um dique de partida e o sistema de

drenagem interna, o qual consiste em drenos executados na fundao do reservatrio,

semelhantes a drenagem interna de pilhas de estril. Os rejeitos arenosos so, ento, lanados

da crista do dique de partida pela tcnica de aterro hidrulico. Alteamentos sucessivos so

construdos, por montante, com rejeitos retirados da prpria praia e compactados com trator

de esteira. Esta tcnica deve ser utilizada somente em materiais granulares, uma vez que estes

apresentam caractersticas de resistncia e permeabilidade que condicionem livre drenagem e

capacidade suporte para os alteamentos.

Nos itens 3.2.1, 3.2.2 e 3.2.3 so apresentados alguns empilhamentos drenados, constitudos

por rejeito de minrio de ferro, localizados no Quadriltero Ferrfero. Estas estruturas sero

utilizadas como referncia para o desenvolvimento dos estudos apresentados nesta

dissertao.

10

3.2.1 Empilhamentos Drenados de Xingu e Monjolo (ESPSITO, 2000)

Espsito (2000) caracterizou os empilhamentos drenados de Xingu e Monjolo, localizados nas

Minas de Alegria e Morro Agudo, respectivamente. As operaes do empilhamento drenado

de Xingu foram encerradas em 1998, sendo responsvel por estocar os rejeitos gerados pela

etapa de flotao da usina de beneficiamento de minrio de ferro da Mina de Alegria. Na

Figura 3.2 apresenta-se uma foto do arquivo tcnico da Vale do Empilhamento Drenado do

Xingu (GOMES, 2009b).

Figura 3.2 Empilhamento Drenado do Xingu (GOMES, 2009b).

O empilhamento drenado de Xingu possui 75m de altura, sendo construdo com diques de 5 m

de altura e crista de 5 m de largura, com inclinao 3,0H:1,0V. Foi executado um sistema de

drenagem interna constitudo de dique de partida e tapete drenante perimetral, compostos por

materiais granulares, junto a fundao. O dique de partida foi projetado com inclinao de

1,5H:1,0V. Os alteamentos foram construdos por montante pelo mtodo de aterro hidrulico

a partir do lanamento de rejeito pela crista de cada dique, respeitando uma largura mnima de

praia de 40m. Alm disso a estrutura possui uma mureta perimetal junto ao topo do

empilhamento com a funo de interceptar o escoamento superficial do terreno natural

(ESPSITO, 2000).

O empilhamento drenado de Monjolo foi construdo com rejeitos provenientes do processo de

beneficiamento de minrio de ferro via espirais da Mina de Morro Agudo, no municpio de

Rio Piracicaba/MG. Esta estrutura foi construda pela disposio por aterro hidrulico e

alteada por montante.

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O empilhamento drenado de Monjolo possui 118 m de altura com taludes (2H:1V) de 10m de

altura e bermas de 8m. A estrutura apresenta dreno de fundo de 150m de comprimento, ligado

no dique de partida, construdo em enrocamento, e um extravasor. O dique de partida possui

taludes com inclinao 1,5H:1,0V e 20 m altura. Na Figura 3.3, apresenta-se uma imagem de

satlite do Empilhamento Drenado do Monjolo.

Figura 3.3 Empilhamento Drenado do Monjolo.

Os resultados obtidos pela caracterizao dos rejeitos realizada por Espsito (2000) indicaram

uma diferena bsica entre Xingu e Monjolo. O Empilhamento Drenado de Xingu apresentou

54% de teor de ferro mdio, enquanto que em Monjolo, esse valor foi da ordem de 24%.

Na Figura 3.4 apresentam-se as faixas granulomtricas dos rejeitos estocados nos

empilhamentos drenados estudados por Espsito (2000). Observa-se que os rejeitos so

arenosos (areia fina a mdia), sendo que a faixa do rejeito de Monjolo mais estreita que a

faixa de rejeitos das amostras coletadas em Xingu.

12

Figura 3.4 Faixas granulomtricas dos rejeitos dos empilhamentos (ESPSITO, 2000).

Na Tabela 3.3, esto sintetizados alguns dos resultados encontrados por Espsito (2000)

durante a campanha de caracterizao. Observa-se que os valores de massa especfica dos

slidos (s) do Empilhamento Drenado de Xingu so superiores ao do Monjolo, haja vista que

o teor de ferro de Xingu superior. A autora indica uma relao diretamente proporcional

entre o teor de ferro e massa especfica dos gros (Figura 3.5). Destaca-se que a condutividade

hidrulica dos rejeitos estocados nos Empilhamentos Drenados do Xingu e Monjolo foram

semelhantes, apesar da diferena entre as curvas granulomtricas.

Tabela 3.3 Caracterizao de rejeitos do Empilhamento Drenado de Xingu e Monjolo (ESPSITO, 2000).

Parmetros

Xingu Monjolo Mdia Desvio Padro Mdia Desvio Padro

d (g/cm) 2,06 0,16 1,82 0,15 s (g/cm) 4,02 0,39 3,16 0,14

n (%) 48 4 42 4 w (%) 7,4 5,1 4,2 1,6 Fe (%) 54 5,5 24,3 3,6

SiO2 (%) 21,1 7,9 64,4 5,2 k Hazen (cm/s) 2,30x10-3 1,9x10-3 3,30 x10-3 1,3x10-3

k Terzagui (cm/s) 6,70 x10-3 6,0x10-3 5,30 x10-3 3,7x10-3

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Figura 3.5 Relao entre teor de ferro e massa especfica dos gros (ESPSITO, 2000).

Espsito (2000) observou que a massa especfica dos gros e o teor de ferro se reduziam

quanto maior o afastamento do ponto de lanamento de rejeitos. Nota-se que ocorre uma

grande reduo do teor de ferro mdio aps 125m e 20m para os Empilhamentos Drenados de

Xingu (Figura 3.6) e Monjolo (Figura 3.7), respectivamente.

Figura 3.6 Variao do teor de ferro com o afastamento do ponto de lanamento de rejeito do

Empilhamento Drenado de Xingu (ESPSITO, 2000).

Figura 3.7 Variao do teor de ferro com o afastamento do ponto de lanamento de rejeito do

Empilhamento Drenado de Monjolo (ESPSITO, 2000).

Em termos de parmetros de resistncia obtidos em ensaios de compresso triaxial drenados e

cisalhamento direto, Espsito (2000) encontrou uma relao entre a porosidade e o ngulo de

atrito definida de acordo com o Modelo Exponencial Estendido (y = B + C e-Ax). Essa relao

est ilustrada na Figura 3.8.

14

Figura 3.8 Relao de porosidade com o ngulo de atrito determinado em ensaios de compresso

triaxial CD (ESPSITO, 2000).

Na Tabela 3.4, apresenta-se a faixa de variao do ngulo de atrito efetivo estimado de acordo

com o Modelo Exponencial Estendido para a faixa de valores de porosidade observados.

Tabela 3.4 Faixa de variao de (ESPSITO, 2000). Valores de n (%) Valores estimados para ()

Xingu Monjolo Xingu - CIS Xingu - TCD Monjolo - CIS Monjolo - TCD Mdia 48,7 42,3 37,5 36,0 35,2 36,0 Desvio 3,8 3,7 1,1 1,61 1,46 1,84

Na Figura 3.9 apresentada a relao dos valores de ngulo de atrito efetivo estimados a

partir de ensaios triaxiais no drenados e valores de porosidade observados para o

Empilhamento Drenado do Xingu (X) e do Monjolo (M).

Figura 3.9 Relao entre ngulo de atrito (ensaio triaxial CU) e porosidade (ESPSITO, 2000)

Espsito (2000) realizou anlise de estabilidade probabilstica desses dois empilhamentos

drenados (Xingu e Monjolo) admitindo estgio final de construo, com o parmetro Ru

variando entre 0,05 e 0,20. Considerou-se, ainda, a variao dos parmetros de resistncia

drenados obtidos em ensaios de compresso triaxial drenados e cisalhamento direto.

Espsito (2000) avaliou o potencial de liquefao dos empilhamentos drenados por meio do

mtodo proposto por Poulos et al. (1985). A autora concluiu que as probabilidades ao risco de

15

ruptura encontradas para as duas estruturas de disposio de rejeito arenoso estariam dentro

da faixa de aceitao sugerida (1/100 a 1/10).

3.2.2 Barragem do Fundo (REZENDE, 2013)

A Barragem do Fundo outro empilhamento drenado existente no Quadriltero Ferrfero

(MG). Esta barragem recebe rejeitos oriundos do processamento de minrio de ferro da Mina

do Germano, localizada nos municpios de Mariana e Ouro Preto, pertencente a Samarco

Minerao S. A.

Figura 3.10 Barragem do Fundo Samarco Minerao S.A. (REZENDE, 2013).

Existem dois tipos de rejeitos produzidos pelo processo de beneficiamento do minrio da

Mina do Germano, rejeito fino e rejeito arenoso. O rejeito fino gerado no processo de

deslamagem e o rejeito granular gerado no processo de flotao. O rejeito granular

utilizado para construo do barramento da Barragem do Fundo e o rejeito fino lanado a

montante da disposio do rejeito arenoso. O rejeito granular empilhado pela tcnica de

aterro hidrulico com alteamento por montante, caracterizando-se, assim, como um

empilhamento drenado (Rezende, 2013).

Rezende (2013) realizou trs campanhas de caracterizao do rejeito deste empilhamento

drenado. O teor de ferro mdio encontrado em 34 amostras deste rejeito foi de 17,54%.

Ressalta-se que estas amostras foram coletadas prximas ao barramento, ou seja, so rejeitos

provenientes do processo de flotao.

Rezende (2013) encontrou uma relao linear entre o teor de ferro do rejeito e peso especfico

de suas partculas slidas, conforme apresentado na Figura 3.11. A autora tambm identificou,

Macio Principal

16

assim como Espsito (2000), a reduo do peso especfico relativa dos slidos com o

afastamento do ponto de lanamento de rejeito, ou seja, da crista da barragem (Figura 3.12).

Figura 3.11 - Relao entre teor de ferro e peso especfico dos gros (REZENDE, 2013).

Figura 3.12 Relao entre distncia do ponto de lanamento e peso especfico dos slidos

(REZENDE, 2013).

A anlise granulomtrica comprovou a tendncia arenosa das partculas do rejeito (Figura

3.13), sendo classificado por areia fina siltosa. Destaca-se que a amostra BFD1-000 foi

coletada no dique compactado, as demais foram coletadas ao longo da praia de rejeitos.

Rezende (2013) observou que a condutividade hidrulica perpendicular ao eixo da barragem

igual a 1,02x10-5 m/s, enquanto que a paralela 7,41x10-6 m/s. A condutividade hidrulica

vertical encontrada foi de 3,04x10-6 m/s. A anisotropia mdia (kv/kh) foi igual a 0,30.

17

Figura 3.13 Curvas granulomtricas das amostras de rejeitos da Barragem do Fundo (REZENDE,

2013).

Rezende (2013) identificou, em ensaios triaxiais drenados, que as amostras coletadas na praia

de rejeitos apresentaram parmetros efetivos mdios iguais a =34,5 e c=20,0 kPa. A

amostra coletada no dique compactado apresentou parmetros superiores ( = 39,5 e

c=36,9 kPa). O valor encontrado para o intercepto de coeso apresentou-se fora da faixa de

ocorrncia tpica (c=0 kPa) para solos granulares devido a efeitos de no linearidade da

envoltria.

Dentre os estudos realizados por Rezende (2013), destaca-se a anlise numrica de percolao

em regime transiente e permanente com objetivo de simular a operao do empilhamento

drenado ao longo de aproximadamente 9 anos. Esta simulao foi realizada com o uso do

software SEEP/W, considerando fluxo em meio no saturado. Para tanto, utilizou-se a curva

de reteno de gua de Gomes et al. (1999) e Botelho (2001) para calibrao dos parmetros

de Van Genuchten do rejeito arenoso. Este estudo demonstrou a necessidade da existncia do

sistema de drenagem interna, formado, neste caso, por um tapete drenante junto crista do

dique de partida. Ressalta-se que o dique de partida da estrutura era constitudo por solo

compactado, com condutividade hidrulica de 10-10 m/s, conforme informado por Rezende

(2013). Portanto, foi possvel verificar que a inexistncia deste sistema permitiria o

desenvolvimento de surgncias de gua na face de jusante do empilhamento drenado.

18

3.2.3 Empilhamento drenado a jusante da Barragem do Germano

A Barragem do Germano pertence Samarco Minerao S.A. e responsvel por estocar

rejeitos finos e grossos provenientes da usina de beneficiamento de minrio de ferro da Mina

da Alegria, localizada em Mariana/MG.

Iniciada em 1976, a Barragem do Germano foi executada a partir de um dique inicial de 70 m

de altura, constitudo por enrocamento impermeabilizado por um ncleo argiloso montante.

Os alteamentos seguintes ocorreram pelo mtodo de montante, com a utilizao de rejeitos

arenosos lanados de um nico ponto. Em 1999, foi definida a execuo de um empilhamento

drenado posicionado a jusante da Barragem do Germano, com objetivo de melhorar as

condies de estabilidade (BEIRIGO, 2005).

O empilhamento drenado foi construdo a partir de um dique de partida com altura de 30m e

seo mista de material siltoso compactado e material granular. Na face do talude de montante

foi executado uma proteo com estril fino e grosso, bloco selecionado e grandes blocos

ordenados e cobertos por geotxtil. O talude de jusante foi protegido por uma camada de

grandes blocos com pouca parcela de finos. A inclinao dos taludes foi 1,5H:1V. Os

alteamentos em rejeito arenoso foram realizados com diques de 5,0m de altura, taludes

externos com inclinao de 2H:1V e bermas de 5,0m de largura (JULI JNIOR, 2004). Em

2011, a altura mxima desse empilhamento drenado era 135m, sendo que o fim da operao

ocorreria quando atingisse 195m (VILA, 2011).

O sistema de drenagem interna era constitudo por um dreno de fundo construdo em

enrocamento ligando o dique de partida e o p da Barragem do Germano. O sistema de

drenagem superficial era composto por uma descida dgua na margem esquerda, responsvel

por coletar a drenagem proveniente das bermas e da periferia (JULI JNIOR, 2004). O

lanamento de rejeitos ocorreu pela crista dos diques alteados, visando impedir a formao do

lago prximo ao talude de jusante. A vazo de lanamento de rejeitos foi de 1.000 m/h e o

teor de slidos 50% (JULI JNIOR, 2004).

Segundo Juli Jnior (2004), quase todos os piezmetros pneumticos indicaram

poropresses nulas, at mesmo durante o lanamento de rejeitos. Observou-se, ainda, que os

altos ndices pluviomtricos da regio no alteraram as leituras piezomtricas. Foram

19

analisados registros piezomtricos entre fevereiro de 2002 e maro de 2003. vila (2011)

apresenta leituras piezomtricas realizadas no empilhamento drenado da Barragem do

Germano entre maro de 2009 e junho 2011 (Figura 3.14). Estes registros indicam leituras

nulas durante todo esse perodo para os trs instrumentos que compe o sistema de

monitoramento.

Figura 3.14 Leituras piezomtricas do Empilhamento Drenado da Barragem do Germano (Adaptado

de vila, 2011).

Juli Junior (2004) apresenta as caractersticas dos rejeitos finos e grossos lanados na

Barragem do Germano segundo o Plano Diretor de Disposio de Rejeitos do Germano. Estas

informaes esto compiladas na Tabela 3.5. O autor destaca que o coeficiente de

permeabilidade do rejeito arenoso foi fundamental para construo de uma estrutura estvel.

Alm disso, ressalta que o sistema de drenagem interna deve ser mantido de maneira mais

eficaz possvel, a fim de evitar a saturao do macio e consequente perda de estabilidade.

vila (2011) descreve o Empilhamento Drenado a jusante da Barragem do Germano,

apresentando seus principais aspectos, incluindo as caractersticas do rejeito arenoso,

conforme apresentado na

Tabela 3.6. Segundo vila (2011) a experincia adquirida com esse empilhamento drenado

indica que podem ser construdas barragens com rejeito arenoso no saturado. Essas

condies resultam em uma estrutura com baixo risco de ruptura, mesmo com altura elevada.

20

Tabela 3.5 Caractersticas dos rejeitos da Samarco depositados na Barragem do Germano em 1999 (JULI JNIOR, 2004).

Parmetros Rejeito Arenoso Lama Vazo (m/h) 1049 754

Passante #200 (%) 38 a 82 100 Teor de slidos (%) 49 20

ndice de vazios mximo 0.9 1.3 ndice de vazios mnimo 0.44 0.55 ndice de vazios natural 0.9 - Densidade relativa (%) 50 -

Peso especfico mximo (kN/m) 21 25.5 Peso especfico mnimo (kN/m) 16 19.4 Peso especfico natural (kN/m) 20.2 - Peso especfico mdio (kN/m) 18.3 -

ngulo de atrito efetivo () 40 43 Intercepto de coeso efetivo (kPa) 1.6 5.5 Condutividade Hidrulica (cm/s) 10-4 - Densidade relativa dos gros (Gs) 3,04 3,34

Tabela 3.6 - Caractersticas do rejeito arenoso do empilhamento drenado a jusante da Barragem do

Germano (VILA, 2011). Parmetros Rejeito Arenoso Passante #200 (%) 60 a 70 Teor de slidos (%) 55 Teor de umidade (%) 10,94 Densidade relativa mnima (%) 20 Densidade relativa mxima (%) 80 Densidade relativa mdia (%) 60 Massa especfica seca mxima (t/m) 2,11 Massa especfica seca mnima (t/m) 1,60 Massa especfica seca natural (t/m) 1,83 ngulo de atrito efetivo () 42 Condutividade Hidrulica Mxima (cm/s) 1,8x10-3 Condutividade Hidrulica Mnima (cm/s) 8,7x10-5 Densidade relativa dos gros (Gs) 3,074

3.3 Anlise de Percolao em Barragem Alteada por Montante

Segundo Martin (1999), barragens de rejeito construdas pelo mtodo de montante, por meio

do lanamento de rejeitos pela crista, so simples do ponto de vista construtivo. No entanto,

exigem altos nveis de monitoramento e controle para garantir a segurana. Martin (1999)

relaciona 6 regimes de poropresso que podem se desenvolver em barragens de rejeitos

21

alteadas por montante. Esses regimes so: a) hidrosttico; b) poropresso maior que a

hidrosttica sem drenagem na base; c) poropresso maior que hidrosttica com drenagem na

base; d) poropresso positiva menor que a hidrosttica; e) poropresso prxima a zero e; f)

no saturado. Os fatores que condicionam a presena destes regimes so: fundao,

plasticidade do rejeito, velocidade do alteamento e largura da praia. Martin (1999) destaca que

o regime no saturado pode ser alcanado quando a estrutura apresenta boas condies de

drenagem.

De acordo com Vick (1990) o fenmeno de segregao hidrulica, desenvolvido a partir do

lanamento de rejeitos, seria influenciado preferencialmente pelo tamanho das partculas.

Com esta segregao, ocorreria a formao de zonas distintas na praia de rejeito, em que

haveria decrscimo de permeabilidade com o afastamento do ponto de lanamento de rejeitos

(Figura 3.15).

Figura 3.15 Segregao hidrulica proposta por Vick (1990).

No entanto, Santos (2004), avaliando o Empilhamento Drenado do Monjolo, observou que a

segregao hidrulica seria influenciada no apenas pelo tamanho das partculas, mas tambm

pela densidade. Sendo assim, a magnitude da condutividade hidrulica tenderia a aumentar

com o afastamento do ponto de lanamento. Na regio final da praia, o modelo proposto por

Vick (1990) seria predominante, conforme mostrado na Figura 3.16.

22

Figura 3.16 Modelo terico de variao da condutividade hidrulica esperado para o empilhamento drenado do Monjolo (SANTOS, 2004).

Vick (1990) afirma que a variao da condutividade hidrulica ao longo da praia de rejeitos

apresenta menor influncia no comportamento global do fluxo atravs da barragem. Araujo

(2006), ao elaborar uma anlise de percolao para a Barragem do Doutor, localizada em

Ouro Preto (MG), confirmou o que havia sido indicado por Vick (1990). Araujo (2006) expe

que o comportamento do fluxo na barragem fortemente condicionado pela permeabilidade

do sistema de drenagem interna. Ressalta-se que a Barragem do Doutor uma estrutura

construda com rejeito de flotao ciclonado, sendo lanado rejeito de granulometria grossa

junto ao paramento de jusante.

3.3.1 Fluxo em meios no saturados

O fluxo em meios no saturados ocorre quando o fludo se movimenta em um meio, neste

caso, o solo, em que o grau de saturao inferior a 100%. Quevedo (2008) apresenta uma

ilustrao que demonstra a distribuio de presso de gua em um solo (Figura 3.17). Na zona

saturada os vazios esto preenchidos por gua. Na zona denominada franja capilar, a ascenso

capilar mantm o solo saturado, porm sujeita a uma carga negativa. Na zona no saturada, o

solo submetido a uma poropresso negativa, sendo que a distribuio desta presso varia em

funo do meio poroso.

23

Figura 3.17 Distribuio de poropresso tpica de um horizonte de solo (QUEVEDO, 2008).

A presso (uar) denominada presso de ar, a qual caracteriza a interface entre a franja capilar

e a zona no saturada. A diferena entre a presso de ar e a presso de gua (uw) nos vazios do

solo resulta na suco, propriedade caracterstica de solos no saturados.

Lee e Wray (1995) indicam que quando ocorre fluxo da gua livre num solo no saturado, a

mesma poder ser retida ou adsorvida por ele. Para tanto, necessria a aplicao de uma

fora externa para desprend-la. Esta fora por unidade de volume de gua a suco. A

energia disponvel para execuo deste trabalho denominada potencial total.

Segundo Bear e Cheng (2010), o Potencial Total (t) de energia em um fluido pode se4r

decomposto em Potencial Matricial (m); Potencial Osmtico (o); Potencial Gravitacional

(g); e Potencial de Presso (p), conforme a Equao 3.1.

= + + + (3.1)

O Potencial matricial, segundo Libardi (2010), est associado s foras que se manifestam

conforme distribuio da matriz do solo, sendo relacionado a capilaridade e adsoro. O

Potencial Osmtico relaciona-se com a diferena de concentrao de solutos na gua do solo.

O Potencial Gravitacional pode ser definido como energia potencial proporcionada pelo

campo gravitacional, determinado a partir de um ponto de referencia. O Potencial de Presso

originado por presses diferentes da atmosfrica.

24

3.3.2 Curva Caracterstica de Suco

A curva caracterstica de suco ou curva de reteno de gua no solo a relao entre o teor

de umidade volumtrico () e o valor de suco qual o solo est submetido. A curva

caracterstica de suco tambm pode ser expressa em termos de umidade gravimtrica ou

grau de saturao.

Gomes et al. (1999) tambm ensaiaram o rejeito arenoso gerado pelo beneficiamento do

minrio de ferro da Samarco Mineradora. A determinao da curva caracterstica de suco

foi realizada a partir de ensaios com bomba de fluxo, sendo avaliados os ciclos de secagem e

umedecimento. A amostra ensaiada foi coletada a 0,5m de profundidade e apresentou 3% de

areia mdia, 63% de areia fina, 26% de silte e 8% de argila. A porosidade encontrada para

esta amostra foi 46%.

Botelho (2001) ensaiou duas amostras de rejeito arenoso coletadas na Barragem do Germano

visando determinar suas curvas caractersticas de suco. As amostras ensaiadas

apresentavam em sua composio granulomtrica 51% de areia, com condies de moldagem

distintas, 49% e 52% de porosidade. Os ensaios foram realizados com bomba de fluxo,

partindo do corpo de prova saturado at atingir a umidade residual, ou seja, representando

apenas o ciclo de secagem.

Diversos autores propem relaes empricas para representao da curva caracterstica de

reteno de gua no solo, tais como Gardner (1958), Van Genuchten (1980) e Fredlund e

Xing (1994). As Equaes 2.2 e 2.3 apresentam as formulaes que descrevem o modelo

proposto por van Genuchten (1980).

= (3.2)

m = 1 (3.3)

Em que:

w = teor de umidade volumtrico;

r = teor de umidade volumtrico residual;

25

s = teor de umidade volumtrico saturado;

= suco gerada;

ag, ng e mg = parmetros do modelo.

De acordo com o modelo proposto por van Genuchten (1980), a condutividade hidrulica

pode ser determinada em funo da umidade volumtrica relativa, conforme indicado na

Equao 2.4.

k = k!"#

$%&. $(

)

/)

(3.4)

Em que:

k = condutividade hidrulica;

ks = condutividade hidrulica saturada.

Neste trabalho sero utilizados os parmetros do modelo de van Genuchten obtidos por

Gomes et al. (1999), conforme mostrado na Tabela 3.7. Alm dos parmetros do modelo de

van Genuchten obtidos da amostra caracterizada por Gomes et al., 1999, so apresentados os

parmetros das amostras ensaiadas por Botelho (2001).

Tabela 3.7 Parmetros do modelo de van Genuchten para rejeito arenoso. Autor Porosidade (%) Sr ag ng mg s r

Gomes et al. (1999) 46 0,12 5,10 2,11 0,53 0,47 0,06 Botelho (2001) 48 0,06 11,00 4,20 0,76 0,47 0,03 Botelho (2001) 52 0,14 5,35 3,15 0,68 0,47 0,07

3.4 Liquefao

Castro (1969) definiu a liquefao como um fenmeno pelo qual uma areia saturada

experimenta uma reduo significativa da sua resistncia ao cisalhamento, em condies no-

drenadas, proporcionando um fluxo de massa de solo at que as tenses cisalhantes estejam

compensadas pela resistncia do solo.

Segundo Freire Neto (2009) a liquefao um processo de perda de resistncia com a

deformao (strain softening), caracterstico de solos sem coeso, contrcteis e saturados,

26

durante o processo de cisalhamento no drenado. Solos dilatantes no apresentam

suscetibilidade liquefao, uma vez que experimentam acrscimo de volume durante a ao

cisalhante.

O processo de liquefao pode ser ativado a partir de grandes carregamentos monotnicos

(estticos) ou carregamentos cclicos (dinmicos). Elevao do nvel dgua em depsitos de

materiais granulares, carregamentos rpidos, movimentos de massa na rea de influncia dos

depsitos de materiais granulares, excessos de precipitao pluviomtrica so exemplos de

carregamentos estticos. Carregamentos cclicos esto relacionados principalmente a eventos

ssmicos, como terremotos.

De uma maneira geral, a liquefao tem origem pelo carregamento (monotnico ou cclico)

no drenado de um solo sem coeso, saturado. A partir deste carregamento, ocorre gerao de

excessos de poropresso, reduzindo drasticamente as tenses efetivas. Sendo assim, o solo

passa a se comportar como um fluido viscoso. O fenmeno da liquefao influenciado por

fatores relacionados s caractersticas dos materiais, tais como: granulometria; composio

mineralgica e compacidade.

Ishihara et al. (1980) indicam a faixa granulomtrica de solos com potencial de liquefao

(Figura 3.18). A maior presena de partculas finas reduz a condutividade hidrulica do solo e,

portanto, dificultam a dissipao dos excessos de poropresso. Alm disso, as partculas finas

tambm prejudicam a interao entre gros de solo, reduzindo a resistncia.

Figura 3.18 Faixas granulomtricas de materiais com potencial de liquefao (modificado de

ISHIARA et al., 1980).

27

Segundo Pereira (2005), a composio mineralgica pode representar um fator fundamental

relacionado liquefao, sobretudo no caso de rejeitos de minrio de ferro. As texturas

concrecionrias, devido oxidao do ferro presente no rejeito, podem influenciar a

resistncia ao cisalhamento. O teor de ferro dos rejeitos granulares pode influenciar

diretamente a suscetibilidade a liquefao.

Areias compactas apresentam menor potencial de liquefao do que areias com elevado ndice

de vazios (PEREIRA, 2005). Yamamuro & Lade (1997) avaliaram a ocorrncia de liquefao

em amostras de areia com densidade relativa de 12, 22, 31 e 42% submetidas a carregamentos

no drenados sob baixas tenses confinantes (25, 75 100 e 125 kPa). Os autores observaram

que as amostras com os maiores ndices de vazios eram mais suscetveis a liquefao. Este

fato foi, ento, relacionado com a taxa de desenvolvimento das poropresses, a qual se

diferenciava de acordo com a densidade relativa, tendo em vista a tendncia de contrao ou

expanso da amostra.

Os rejeitos de minrio de ferro apresentam comportamento semelhante aos materiais

granulares durante o cisalhamento, conforme mencionado por Parra e Lasmar (1987), Tibana

et al. (1997) e Gomes et al. (2002). Alm disso, quando dispostos com a tcnica de aterro

hidrulico, formam depsitos saturados e fofos, condies favorveis ocorrncia do

fenmeno da liquefao.

3.4.1 Avaliao do Potencial de Liquefao

A determinao do potencial de liquefao de materiais granulares pode ser realizada por

meio de estudos que envolvem ensaios de laboratrio ou ensaios de campo. A partir de

ensaios de laboratrio, especificamente, ensaios triaxiais adensados drenados e no drenados,

possvel definir a resistncia residual para condies estticas de carregamento. Uma

desvantagem deste mtodo est relacionada a perda de representatividade da amostra durante

o processo de coleta e preparao da amostra, tanto para corpos de prova reconstitudos e

indeformados. Desse modo, Castro (1975), Castro & Poulos (1977) e Poulos et al. (1985)

mostram fatores de segurana que levam em considerao as mudanas de volume que

possam ocorrer nas amostras durante a amostragem e o ensaio de laboratrio.

28

Existem tambm os mtodos que utilizam retroanlise de casos histricos de ruptura em fluxo

por liquefao (SEED, 1987; DAVIS et al., 1988; SEED & HARDER, 1990; STARK &

MESRI, 1992; KONRAD & WATTS, 1995; WRIDE et al., 1999; OLSON, 2001; OLSON &

STARK, 2002; IDRISS & BOULANGER, 2007). Nestes mtodos as resistncias obtidas em

ensaios de campo (CPT, SPT ou palheta) so relacionadas com a resistncia liquefeita.

3.4.1.1 Poulos et al. (1985)

A metodologia proposta por Poulos et al. (1985) para avaliao do potencial de liquefao foi

estabelecida a partir de duas observaes: i) a linha de estado permanente em um grfico

semi-log, que relaciona ndice de vazios e tenso efetiva principal menor, afetada

principalmente pelo formato dos gros do solo e; ii) a posio vertical da linha de estado

permanente influenciada pela distribuio granulomtrica dos gros. Portanto, segundo

Poulos et al. (1985), a linha de estado permanente obtidas em amostras reconstitudas so

paralelas s determinadas com amostras in situ.

O Estado Permanente, tambm conhecido como Estado Crtico, refere-se ao estado em que a

massa de solo sofre deformao com volume, tenso confinante, tenso cisalhante e

velocidade constantes (POULOS, 1981). Segundo o autor, o Estado Permanente alcanado

aps completa redefinio da estrutura e reorientao das partculas.

Na Figura 3.19, apresentam-se os resultados de um ensaio triaxial adensado no drenado.

Nestes grficos, observa-se o comportamento de um solo durante o ensaio at atingir o estado

permanente de deformao.

29

Figura 3.19 Grficos de um ensaio triaxial no drenado: (a) tenso confinante efetiva; (b) ndice de vazios x tenso confinante efetiva; (c) Tenso x deformao e; (d) trajetria de tenses (modificado de

POULOS et al, 1985).

Para determinao da linha de estado permanente, os autores recomendam a utilizao de 5 ou

6 corpos de prova compactados. Os corpos de prova reconstitudos devem ser submetidos ao

adensamento e ao carregamento no drenado segundo uma abrangente combinao de ndice

de vazios e tenso principal menor, visando determinar a linha de estado permanente (Figura

3.20). Depois, devem ser realizados os mesmos ensaios em amostras indeformadas do mesmo

material (Figura 3.21). Poulos et al. (1985) sugerem que os corpos de prova devem ser

submetidos a elevados carregamentos, uma vez que solos arenosos so mais contrteis

mediante a altos carregamentos.

Envoltria de Estado Permanente

Adensamento

Poropresso Induzida

Linha deEstado Permanente

Cisalhamento

Adensamento

log 3

3C

3S

3

30

Figura 3.20 Determinao da linha de estado permanente obtida por meio de seis ensaios triaxiais

no drenados (modificado de POULOS et al., 1985).

Figura 3.21 Estado permanente das amostras indeformadas (modificado de POULOS et al, 1985).

Para obteno da resistncia no drenada do estado permanente (Ssu), Poulos et al. (1985)

elaboraram o grfico da Figura 3.21 em termos de Ssu (Figura 3.22). Esta resistncia

calculada segundo as Equaes 2.5, 2.6 e 2.7.

+,- = ., cos , (3.5)

345 , = 6789 6 = 6:789; -= 6 (3.6)

ndi

ce d

e V

azio

s

Tenso Efetiva Principal Menor (psf = 0,05 kPa)

Linha de Estado Permanente

Final do Adensamento

Linha do Estado Permanente(Amostras reconstitudas)

Estado Permanente(Amostras indeformadas)

Tenso Efetiva Principal Menor (psf = 0,05 kPa)

nd

ice

de V

azio

s

31

., = 7% 79> (3.7)

Em que (1 s 3 s) a diferena das tenses principais no regime permanente; 3c a tenso

principal menor no incio do cisalhamento; us a poropresso gerada no regime permanente

e s o ngulo de atrito de regime permanente.

Figura 3.22 Resistncia no drenada do estado permanente obtidas das amostras indeformadas

(modificado de POULOS et al, 1985).

Como as resistncias no drenadas obtidas em amostras indeformadas so correspondentes ao

ndice de vazios existente aps o adensamento, Poulos et al. (1985) propem uma correo

desta resistncia para o ndice de vazios in situ. A correo deve ocorrer conforme indicado

na Figura 3.23. A partir da resistncia do Estado Permanente da amostra indeformada (Ponto

A), traa-se uma linha paralela a Linha de Estado Permanente. Determina-se ento o Ponto B,

correspondente ao ndice de vazios in situ.

Determinada a resistncia in situ no Estado Permanente, calcula-se o fator de segurana

correspondente ao fluxo por liquefao (FL). Esse fator de segurana definido pela razo

entre a resistncia in situ no Estado Permanente e a tenso cisalhante requerida para

manuteno do equilbrio esttico. Esta tenso cisalhante pode ser obtida por mtodos

clssicos de anlise de estabilidade. Caso essa razo seja menor que 1, inicia-se o fluxo por

liquefao.

Linha do Estado Permanente(Amostras reconstitudas)

Estado Permanente(Amostras indeformadas)

Resistncia no drenada do estado permanente, Ssu (psf = 0,05 kPa).

nd

ice

de V

azio

s

32

Figura 3.23 Correo da resistncia do Estado Permanente pela diferena entre os ndices de vazios

in situ e do ensaio triaxial (modificado de POULOS et al, 1985).

3.4.1.2 Espsito (2000)

Espsito (2000) adaptou a proposta de Poulos et al. (1985) para avaliao do potencial de

liquefao das Pilhas de Rejeito d

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