Potencial de Licuación Estática para una Presa de Relaves Recrecida Aguas Arriba

Herbert Miguel Angel Maturano Rafael
Geomat Ingenieria, Lima - Peru, mmaturano@geomatingenieria.com

Celso Romanel
PUC-Rio, Departamento de Engenharia Civil, Rio de Janeiro - Brasil, romanel@puc-rio.br

RESUMO:

A disposição de rejeitos tem sido uma preocupação muito importante nas empresas de mineração de todo o mundo, tendo como principal motivo a proteção do meio ambiente.
Diariamente geram-se grandes quantidades de rejeitos nas plantas de beneficiamento de minérios, sendo necessário dispor de estruturas de armazenamento (barragem de rejeito). Dependendo da produção industrial de rejeitos, muitas vezes é previsto fazer o alteamento de barragens existentes, projetando a construção de diques sucessivos para aumentar a capacidade de armazenamento destas estruturas. O método de alteamento à montante começa com a construção de um dique de partida.
Terminada esta etapa, os rejeitos são depositados à montante, formando uma praia que adensará com o tempo, aumentado gradualmente a resistência do rejeito e servindo de fundação para futuros diques de alteamento. Este procedimento segue sucessivamente, até atingir a cota prevista de projeto. É um método de construção simples e de baixo custo, mas sua principal desvantagem é que velocidades de alteamento excessivas podem induzir a liquefação estática, causa principal do colapso de várias barragens de rejeito construídas com este método. Neste trabalho é investigado o potencial de liquefação de uma barragem de rejeito de cobre, situada no Peru. Foram empregados o método empírico de Olson, baseado em correlações com dados de ensaios de simples reconhecimento (SPT) e o método de elementos finitos com o modelo constitutivo elastoplástico UBCSand. Conclui-se que as duas metodologias são adequadas para aplicação em um projeto geotécnico tendo em vista a previsão da ocorrência de liquefação estática.

PALAVRAS-CHAVE: Liquefação estática, barragem de rejeito, método de Olson, modelo
UBCSand.

1. INTRODUÇÃO

O fenômeno da liquefação estática em barragens de rejeito tem sido muito investigado  ao redor do mundo devido às potenciais consequências destrutivas de sua ocorrência, muitas vezes envolvendo perdas de vidas humanas além de danos econômicos, sociais e ao meio ambiente. A literatura registra vários casos históricos de ruptura de barragens de rejeito por liquefação como a barragem de Merriespruit (África do Sul), barragem da mina de Sullivan (Canadá), barragem Los Frailes (Espanha), entre outras.  O conceito de liquefação pode ser resumido como a perda da resistência ao cisalhamento do material, induzido por acréscimos de poropressão. Os solos suscetíveis à ocorrênciapotencial de liquefação da barragem de rejeito de cobre de Limonar, situada no Peru, foram empregados o método empírico de Olson

(2001), baseado em correlações com dados de ensaios de campo (SPT), e o método dos
elementos finitos, baseado no modelo constitutivo UBCSand (Byrne et al, 2004) implementado no programa computacional Plaxis 2D v. 2010.

2. FLUXO POR LIQUEFAÇÃO

2.1 Suscetibilidade à liquefação

Há muitos critérios publicados na literatura para estimativa da suscetibilidade à liquefação de solos, dentre os quais:

a) Critério de composição do material - por muitos anos acreditou-se que liquefação estava restrita a depósitos de areia, apenas. Solos de granulometria mais fina foram considerados incapazes de gerar altos valores de poropressão, comumente associados com a liquefação, enquanto que solos de granulometria mais grossa foram, por sua vez, considerados muito permeáveis para manter acréscimos de poropressão por um tempo suficiente para o processo se desenvolver. No entanto, os limites dos critérios baseados em granulometria foram expandidos. Liquefação de siltes não plásticos foi observada (Ishihara, 1984, 1985), tanto em laboratório como em campo, indicando que as características de plasticidade são mais influentes do que a distribuição granulométrica no caso de solos finos. De acordo com Wang (1979), solos finos que satisfazem cada uma das seguintes condições do critério chinês podem ser considerados suscetíveis à liquefação: i) fração mais fina do que 5 µ≤ 15%; ii) limite de liquidez LL≤35% ; iii) teor de umidade w ≥0,9LL ; iv) índice de liquidez≤0,75. Para considerar diferenças da prática americana, a U.S. Army Corps of Engineers recomendou adaptar o critério chinês com as seguintes modificações: i) decréscimo da fração de finos em 5%; ii) acréscimo do limite de liquidez em 1%; iii) acréscimo do teor de umidade natural em 2% (Finn, 1994).

b) Critério de estado - mesmo se um solo satisfizer aos critérios de suscetibilidade anteriormente citados, a liquefação pode ou não ocorrer. A suscetibilidade à liquefação depende fortemente de um critério de estado, função da densidade relativa e das tensões iniciais no maciço de solo. Historicamente, os seguintes critérios de estado foram apresentados na literatura:

b.1) Critério do índice de vazios crítico - Casagrande (1936) executando ensaios triaxiais drenados (deformação controlada) em amostras de areia fofa e densa verificou experimentalmente que sob uma mesma tensão efetiva a densidade relativa do solo se aproximava de um valor constante à medida que as amostras eram cisalhadas sob grandes deformações. O índice de vazios correspondente a este estado final de volume constante foi denominado índice de vazios crítico. Com a execução de ensaios adicionais sob diferentes tensões de confinamento, Casagrande constatou também que o índice de vazios crítico podia ser unicamente relacionado com as tensões de confinamento através de uma linha de índice de vazios crítico, interpretando a mesma como uma fronteira entre regiões de desenvolvimento de excessos de poropressão positiva (contração de volume, solos fofos) e de poropressão negativa (expansão de volume, solos densos).

b.2) Critério do estado de deformação - Castro (1969) executou uma série de ensaios triaxiais de tensão controlada, não drenados, estáticos e cíclicos, em amostras de areia consolidadas isotrópica e anisotropicamente. Este programa de ensaios mostrou existir uma relação única entre índice de vazios e tensão confinante sob grandes deformações que, graficamente, é plotada paralelamente mas abaixo da linha de índice de vazios crítico de Casagrande (1936) obtida com ensaios triaxiais drenados de deformação controlada. O estado no qual o solo flui continuamente sob tensão cisalhante constante, volume constante e velocidade constante foi então definido como SSL - linha de estado permanente (Castro e Poulos, 1977; Poulos, 1981). A linha SSL é útil para identificação das condições sob as quais um solo pode ser suscetível ao fluxo por liquefação. Um solo cujo estado é plotado abaixo da linha SSL não é considerado suscetível à liquefação, enquanto que para um solo representado acima desta a liquefação poderá ocorrer se as tensões cisalhantes necessárias para equilíbrio estático da massa de solo forem maiores do que a resistência ao cisalhamento residual (estado permanente). Como a linha SSL pode ser usada também para avaliar a resistência ao cisalhamento não drenado do solo liquefeito, então também seria possível empregá-la para uma estimativa dos potenciais efeitos do fenômeno da liquefação.

b.3) Parâmetro de estado – densidade relativa ou índice de vazios apenas tem aplicabilidade limitada quando se pretende estimar a suscetibilidade de liquefação de solos. Um elemento de solo com um particular índice de vazios (ou determinada densidade relativa) pode ser suscetível à liquefação sob altas tensões confinantes mas não suscetível caso estas sejam baixas. Been e Jefferies (1985) introduziram o conceito de parâmetro de estado, definido por

 

ψ  =e0−ess

(1)

onde e₀ é o índice de vazios inicial e e_ss o índice de vazios na linha de estado permanente sob a tensão efetiva confinante de interesse. Quando ψé positivo, o solo exibe comportamentocontrativo e pode ser suscetível à liquefação, enquanto que para valores negativos de ψ a variação volumétrica é negativa (expansão) e o solo não é considerado suscetível ao fluxo por liquefação. O parâmetro de estado foi relacionado com o ângulo de atrito do solo, ângulo de dilatância, resultados de ensaios de campo (CPT, SPT, DMT – ensaio de dilatômetro) por Been et al. (1986, 1987), Sladen (1985), Ishihara (1993), dentre outros.

2.2 Potencial de liquefação

O fato que um depósito de solo é suscetível à liquefação não significa necessariamente que esta ocorrerá, pois seu início depende das características do carrregamento aplicado no maciço. Em mineração, a análise do potencial de liquefação é importante devido às características geotécnicas apresentadas pelos rejeitos granulares, quando estes materiais são depositados hidraulicamente em barragens de rejeito, apresentando-se saturados e com baixa densidade relativa. Estas condições, somadas à ocorrência de um carregamento não drenado, possibilitam a ativação do mecanismo que provocará a liquefação estática dos materiais. Este mecanismo pode acontecer devido à velocidade de construção, mudanças de poropressão geradas por chuvas intensas e alto nível do reservatório, bem como por galgamentos dos resíduos sobre a crista da barragem. A velocidade dos alteamentos no método de construção à montante deve ser cuidadosamente controlada para prevenir um acréscimo significativo das poropressões. Vick (1983) e Mittal & Morgenstern (1976) sugerem uma taxa de alteamento entre 4.6m/ano a 9.1m/ano para que os excessos de poropressão sejam dissipados à medida que o carregamento é aplicado. Smith (1972) apresentou duas recomendações de ordem prática com base em análises pós-ruptura por liquefação estática de várias barragens de rejeito:

i) deve-se garantir que a densidade relativa dos rejeitos dos diques seja maior do que a densidade relativa crítica;

ii) deve-se contar com um sistema de drenagem eficiente de modo a impedir que os rejeitos dentro da estrutura de retenção permaneçam na condição saturada.

3. MÉTODO EMPÍRICO DE OLSON

Na literatura existem várias técnicas empíricas para análise da liquefação de solos, como as de Robertson & Campanella (1985), Seed &  Harder (1990) e Olson (2001). O método de Olson é brevemente descrito, proposto com base em retroanálises de 33 casos de rupturas por fluxo de liquefação, envolvendo areias limpas, areias siltosas, siltes arenosos e rejeitos arenosos. Envolve 3 etapas básicas: (a) avaliação da suscetibilidade de liquefação; (b) análise do mecanismo de início de liquefação; (c) estimativa da estabilidade de taludes pósliquefação.

3.1 Suscetibilidade à liquefação

Esta etapa de análise simplesmente determina se o solo tem comportamento contrativo ou
dilatante sob ao estado de tensão in situ. A suscetibilidade à liquefação é inferida com base na tensão vertical efetiva inicial e o número de golpes do ensaio de simples reconhecimento SPT em determinada profundidade. A Figura 1 apresenta os gráficos de suscetibilidade recomendados por Olson (2001) e Olson e Stark (2003). Valores plotados à esquerda dos mesmos indicam que o solo tem tendência à contração de volume sob cisalhamento, portantoapresenta suscetibilidade à liquefação; valores situados à direita dos gráficos recomendados por Olson (2001) correspondem a solos dilatantes, não suscetíveis à ocorrência do fenômeno.
A curva de Fear & Robertson (1995), recomendada por Olson (2001) na Figura 1 é matematicamente expressa por

N é o valor corrigido do número de golpes do ensaio SPT.

Figura 1. Gráficos de suscetibilidade à liquefação recomendados por Olson (2001) para ensaios SPT.

3.2 Potencial de liquefação

Se zonas de solo forem identificadas como suscetíveis à liquefação, uma análise do potencial de liquefação deve ser executada para determinar se o carregamento imposto é suficiente para provocar o fenômeno. Hanzawa et al. (1979) mediram picos de resistência não drenada em ensaios de compressão triaxial executados em areias contrativas sob diferentes tensões de confinamento e mesmo índice de vazios. Constataram que os valores de resistência situam-se aproximadamente sobre uma envoltória linear de resistência.

A razão de resistência é definida como o quociente entre a resistência não drenada depico e a tensão vertical efetiva inicial ^‑­!_[1]sendo aproximadamente igual à inclinação da envoltória de resistência

onde φ_m  é o ângulo de atrito mobilizado.

Logo, rupturas causadas por carregamentos estáticos podem então ser utilizadas para estimativas da razão de resistência não drenada pela Eq. (3). Os passos para análise do potencial de início de liquefação pelo método de Olson são os seguintes:

 

•        Executar uma análise de estabilidade de taludes para estimativa das tensões

 

cisalhantes estáticas τ^estática nos solos suscetíveis à liquefação. Valores iniciais de resistência ao cisalhamento são assumidos para estes solos, modificando-os gradualmente até que o fator de segurança FS =1 seja atingido. Para os solos não suscetíveis à liquefação atribuir valores reais da resistência ao cisalhamento drenada ou não-drenada, dependendo do tipo de solo.

 

•        Dividir em fatias a região de solo delimitada pela superfície crítica de ruptura          determinada anteriormente. Segundo Olson e Stark (2003) um número de 10          a 15 fatias é suficiente.

 

•        Determinar os valores corrigidos do número de golpes do ensaio SPT.
•       Determinar a razão de resistência ^‑­!_[1] com base na linha média da Figura 2,            cuja equação é expressa por

•         Multiplicar a razão de resistência (Eq. 3) pela tensão vertical efetiva inicial               para calcular o correspondente valor de S_u^pico .

Figura 2. Correlação entre a razão de resistência não- drenada e o número de golpes corrigido do ensaio SPT (adaptado de Olson, 2001).

Se todos os valores do fator de segurança  contra liquefação forem superiores a 1 então uma análise de estabilidade pós-liquefação não é necessária. Se para algumas fatias FS então atribuir-lhes o valor da resistência ao cisalhamento liquefeita e prosseguir com uma análise de estabilidade pósliquefação.

3.3 Estabilidade pós-liquefação

Se o início de liquefação acontecer, uma análise de estabilidade pós-liquefação deve ser executada para verificar se as tensões de cisalhamento estáticas excedem à resistência ao cisalhamento disponível do solo liquefeito. A razão de resistência nesta etapa considera o valor na condição liquefeita, que pode ser  obtida dos gráficos recomendados por Olson

 

(2001) Figura 3, cuja expressão matemática para a linha média é dada por

Valores de resistência ao cisalhamento liquefeita são então atribuídos às fatias dos solos suscetíveis à liquefação onde FS^liq < 1. Para as demais fatias são considerados os valores de resistência ao cisalhamento drenada ou não-drenada, dependendo do tipo de solo.

Se nesta análise de estabilidade o fator de segurança FS^fluxo resultar igual ou inferior a 1então fluxo por liquefação deve ocorrer. Se 1 < FS^fluxo≤ 1.1 alguma deformação poderá ocorrer e a análise de estabilidade é novamente executada atribuindo-se valores da resistência ao cisalhamento liquefeita às demais fatias onde FS^liq≤ 1.1, o que considera a possibilidade do desenvolvimento de ruptura progressiva do talude. O valor mínimo de FS^fluxo será determinado quando em todas as fatias de solo contrativo ocorrer o início da liquefação e, na análise de estabilidade na condição pós-liquefação, para todas estas fatias for atribuído o valor da resistência ao cisalhamento liquefeita.

Figura 3. Correlação entre a razão de resistência não drenada pós liquefação e o número de golpes corrigido do ensaio SPT (adaptado de Olson, 2001).

 

4. MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS COM O MODELO UBCSAND

O modelo UBCSand foi desenvolvido por  Byrne et al. (2004), sendo capaz de simular o comportamento tensão-deformação de areias sob carregamento estático ou cíclico sob condições drenada ou não drenada. É um modelo bastante adequado para simular a liquefação estática de solos, com seus parâmetros determinados em função de resultados de ensaios de campo (SPT, CPT). Modifica o critério clássico de Mohr Coulomb para capturar deformações plásticas que ocorrem em todas as etapas do carregamento.
O leitor interessado em mais detalhes do modelo UBCSand, incluindo a formulação matemática e a maneira de determinação de seus parâmetros, deve consultar Byrne et al. (2004). Este modelo constitutivo, implementado no programa computacional Plaxis 2D v.2010, utilizado neste trabalho, foi codificado por Brinkgreve et al. (2010), disponível na plataforma Plaxis Knowledge Base (www.plaxis.nl).

5. BARRAGEM DE REJEITO DE LIMONAR, PERU

O projeto de alteamento da barragem de rejeito de Limonar foi desenvolvido para a mina de cobre Cobriza (Figura 4), com capacidade de beneficiamento médio diário de 2.000 m³ de minério. A mina está localizada a 2300m acima do nível do mar, no departamento de
Huancavelica, Peru, a uma distância aproximada de 480 km da capital Lima.
A ampliação da capacidade de armazenamento de resíduos foi feita pelo método à montante, descartando-se outras técnicas de construção porque as instalações industriais estão localizadas próximas ao pé do dique inicial. Foram projetados três níveis adicionais de armazenamento de rejeito (Figura 5) até atingir a elevação de 2365 m, suportados por diques construídos com o próprio material de rejeito, compactado, e taludes com inclinação 1.5H:1V. Um sistema de drenagem na base do depósito e nos taludes internos captura os líquidos do rejeito, reduzindo o teor de umidade e facilitando o adensamento do material. As tubulações, distribuídas estrategicamente, são recobertas por um geotextil não tecido de 270 g/cm para evitar a obstrução das mesmas por material fino.

Figura 4. Vista panorâmica da barragem de rejeito Limonar, Peru.

5.1 Propriedades dos materiais

O modelo constitutivo UBCSand foi utilizado para representação do comportamento do material de rejeito da barragem e dos diques de alteamento (construídos com rejeito compactado) enquanto que o modelo de                    MohrCoulomb foi empregado para o dique inicial e o solo de fundação. Os parâmetros do modelo UBCSand foram avaliados em função dos resultados de ensaios SPT. Os valores das propriedades dos materiais estão listados nas

Tabelas 1 a 3.

5.2 Potencial de liquefação pelo método dos elementos finitos

O início da liquefação foi controlado pelos valores máximos do parâmetro de poropressão

onde, para determinado ponto da barragem, ∆u representa o excesso de poropressão causado pelo lançamento de camada de rejeito e
 a tensão vertical efetiva. As Figuras 6 e 7 mostram, logo após a construção do segundo dique de alteamento, a distribuição das poropressões e das tensões efetivas, enquanto que a Figura 8 apresenta os

pontos que durante o alteamento apresentaram os maiores valores do parâmetro r
= 0.85, com coeficiente de segurança aproximado contra a ruptura hidráulica de FS = 1/0.85 = 1.18.

Portanto, de acordo com a modelagem numérica a hipótese de liquefação estática na barragem Limonar parece afastada.

Tabela 1. Propriedades geotécnicas dos materiais.

 

 Ensaios de laboratórios executados pela empresa Ausenco Vector, Peru.

 Tabela 2. Parâmetros do modelo UBCSand

 

Tabela 3. Parâmetros do modelo UBCSand para o rejeito disposto

Figura 6. Distribuição das poropressões logo após a construção do segundo dique de alteamento.

Figura 7. Distribuição das tensões verticais efetivas logo após a construção do segundo dique de alteamento.

Figura 8. Pontos nodais onde foram calculados os valores de r_u durante o alteamento da barragem. Os indicados pelo símbolo r correspondem ao valor máximo r_u = 0.85.

5.3 Potencial de liquefação pelo método de Olson

Foram executados 4 ensaios de simples reconhecimento (SPT-05R, SPT-06R1, SPT06R2 e SPT-06R3) nas cristas dos diques alteados, conforme Figura 9, com valores do número de golpes N corrigidos em função dos níveis de tensão e da energia de queda domartelo (Olson, 2001). A suscetibilidade àliquefação foi então verificada com base na Fig.

1, concluindo-se que algumas camadas de rejeito são suscetíveis, conforme Tabela 4. Verificada a existência de 3 camadas de rejeito suscetíveis à liquefação, marcadas em amarelo na Fig. 9, a análise pelo método empírico prossegue com a determinação do potencial de liquefação destas camadas, calculando-se os valores da razão de resistência não drenada com base na Fig. 2 ou Eq. 3, obtendo-se então os resultados listados na
Tabela 5.
A Tabela 6 finalmente apresenta os valores dos parâmetros geotécnicos para o solo de fundação, dique inicial, rejeito compactado (diques de alteamento), rejeito (não suscetível à liquefação) e rejeito suscetível à liquefação.  De acordo com o método empírico de Olson (2001), para casos de carregamento estático as tensões cisalhantes mobilizadas imediatamente antes da ruptura, nos solos com comportamento contrativo, são aproximadamente iguais aos correspondentes valores da resistência ao cisalhamento não drenada. Uma análise de estabilidade de taludes pode  fornecer uma estimativa razoável destas  tensões cisalhantes mobilizadas e, neste trabalho, foi empregado o método de Bishop

Simplificado, com auxílio do programa computacional SLOPE/W (GeoStudio). Para
oas camadas suscetíveis 1 (superior, em amerelo, na Fig. 9), 2 e 3 (inferior, em amarelo,
na Fig. 9) foram atribuídas resistências ao cisalhamento iniciais, gradualmente reduzidas
pelo mesmo fator, até que o valor do fator de segurança contra a ruptura FS = 1. Neste
processo, os valores de resistência ao cisalhamento dos solos não suscetíveis à
liquefação foram mantidos constantes.

Tabela 4. Resultados da análise de suscetibilidade à liquefação ao longo dos furos de sondagem SPT.

 

 

Tabela 5. Valores médios de (N₁)₆₀ e da razão de resistência S_u/σ'_v0 para as 3 camadas suscetíveis à liquefação do alteamento da barragem Limonar.

Tabela 6. Parâmetros geotécnicos para análise do potencial de liquefação.

As Figuras 10, 11 e 12 mostram a posição  das superfícies de ruptura após o alteamento do primeiro, segundo e terceiro diques, respectivamente, e as Tabelas 7, 8 e 9 listam os valores das tensões de cisalhamento e das tensões verticais efetivas iniciais nas bases das fatias.

Os valores dos fatores de segurança contra a liquefação (Eq. 4) foram todos determinados superiores a 1.1, o que também afasta a possibilidade da ocorrência de liquefação estática e a da necessidade de uma análise do comportamento pós-liquefação da barragem de rejeito. Estes resultados do modelo empírico de Olson (2001) confirmam as conclusões anteriormente obtidas com o método dos
elementos finitos e modelo constitutivo UBCSand.

Figura 10. Análise de estabilidade logo após a construção do primeiro dique de alteamento (FS = 1), com a base da fatia 11 localizada na camada 3 de solo contrativo.

Figura 11. Análise de estabilidade logo após a construção do segundo dique de alteamento (FS = 1), com a base das fatias 10, 18 e 19 localizadas nas camadas 2 e 3 de solo contrativo.

Figura 12. Análise de estabilidade logo após a construção do terceiro dique de alteamento (FS = 1), com a base das fatias 15, 16, 21 e 22 localizadas nas camadas 1, 2 e 3 de solo contrativo.
Tabela 7. Fatores de segurança contra liquefação FSliq
após construção do dique 1.

Tabela 8. Fatores de segurança contra liquefação FSliq após construção do dique 2.

Tabela 9. Fatores de segurança contra liquefação FSliq
após construção do dique 3.

lançamento de material de rejeito e a construção dos diques de alteamento, tanto em quantidade quanto em velocidade de disposição, frequentemente combinado com um sistema de drenagem ineficiente.
Dois métodos para previsão do potencial de liquefação estática em barragem de rejeito foram utilizados neste trabalho, um de natureza empírica proposta por Olson (2001) com base na retroanálise de 33 casos históricos de colapso por liquefação, outro de natureza teórica baseado no método dos elementos finitos incorporando um modelo constitutivo específico para o problema (modelo UBCSand).
Ambas os métodos utilizam os valores do número de golpes N do ensaio SPT para deinição dos parâmetros necessários para sua aplicação.
No caso da barragem de rejeito Limonar, situada no Peru, o risco de liquefação estática foi afastado por ambas as metodologias.  Uma análise comparativa mais detalhada dos resultados teria sido possível se os ensaios SPT tivessem sido executados aolongo da praia de rejeitos e não apenas na crista dos diques de
alteamento.

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