Análise do comportamento de rejeito de mineração durante a construção de um aterro experimental

Abstract

O principal objetivo desta dissertação é a simulação numérica do comportamento hidro-mecânico de um rejeito de mineração susceptível a liquefação estática, quando submetido a carregamentos monotônicos. Para isto, se programou um modelo constitutivo baseado em conceitos avançados de plasticidade com sub-carregamento (SubCam), descrito em Pedroso (2006). O modelo foi implementado no programa de elementos finitos ALLFINE, desenvolvido por Farias (1993) e atualizado por Cordão-Neto (2005). Posteriormente este modelo foi validado simulando-se problemas de adensamento unidimensional e bidimensional com um material muito pré-adensado. Na segunda parte do trabalho se utilizou dados de ensaios de laboratório e de campo realizados pela empresa Terratek Ltda. para a mina Rio Paracatu Mineração, localizada em Minas Gerais. Foram disponibilizados dados de ensaios oedométricos e triaxiais realizados com o rejeito, bem como dados de instrumentação de campo obtidos durante o monitoramento de um aterro experimental construído sobre uma camada de rejeito de 23 m de profundidade. Os dados dos ensaios triaxiais não-drenados evidenciaram que o material tem um comportamento caracterizado como liquefação limitada. Nestes casos o material apresenta uma “linha de instabilidade” e uma “linha de ruptura” final, o que dificulta a definição clara da inclinação (Mcs) da linha de estados críticos. Percebeu-se que este parâmetro (Mcs) era determinante na simulação completa do comportamento do material. Um primeiro conjunto de parâmetros foi obtido diretamente a partir dos ensaios, considerando o estado crítico como a linha de ruptura final, e posteriormente estes parâmetros foram otimizados para melhor reproduzir os resultados de laboratório. Por último, foram realizadas três simulações da construção do aterro experimental, considerando o problema hidro-mecânico acoplado e adotando-se diferentes conjuntos de parâmetros para comparação com os resultados da instrumentação de campo. A primeira simulação consistiu na utilização dos parâmetros otimizados, observando-se uma perfeita reprodução dos dados de deslocamentos verticais e uma boa representação qualitativa, embora superestimados quantitativamente, os deslocamentos horizontais e o desenvolvimento das poropressões. A retroanálise dos resultados de instrumentação de poro-pressões e deslocamentos horizontais pode ser melhorada com os outros conjuntos de parâmetros, porém à custa de uma simulação menos acurada dos deslocamentos verticais. Conclui-se que, de uma forma geral, o modelo adotado foi capaz de reproduzir bem o comportamento observado em campo durante a construção do aterro experimental. Apesar da grande capacidade do modelo, o bom ajuste das simulações se deve em parte ao fato de que o aterro na prática não foi levado à ruptura e nem se observou a ocorrência do fenômeno da liquefação estática do rejeito da fundação durante a construção do aterro. Para uma simulação mais ajustada da liquefação limitada observada nos ensaios não-drenados em laboratório, sugere-se a adoção de um modelo mais específico que considere os efeitos da linha de instabilidade e de estado crítico separadamente. ______________________________________________________________________________ ABSTRACT

The main objective of this thesis is the numerical simulation of the hydro-mechanical behavior of mine tailings, susceptible of undergoing static liquefaction during monotonic loading. To achieve this objective the author adopted a constitutive model, named SubCam described by Pedroso (2006), which is based on advanced concepts of sub-loading plasticity. The model was coded and implemented into the finite element program ALLFINE, developed by Farias (1993) and enhanced by Cordão-Neto (2005). Numerical simulations of one-dimensional and two-dimensional consolidation problems were performed to validate the implementations. A second stage of this research consisted of the analyses of experimental data from laboratory and in situ tests performed by the company Terratek Ltd. In the Rio Paracatu mining company, located in the state of Minas Gerais, Brazil. The laboratory data consisted of results of oedometric and undrained triaxial tests. The in situ results were obtained from instrumentation during the construction of an earth fill over a 23 m thick layer of mining tailings. Results of undrained triaxial show that the material exhibits a behavior classified as “limited liquefaction”. In this case the undrained tests show two limiting behaviors characterized by an “instability line” and a final “failure line”. This complicates the identification of a single critical state line necessary for model SubCam. The simulations show that the inclination (Mcs) of this line plays an important role in the ability of the model to simulate the behavior of the tailings material. Therefore a set of model parameters was initially obtained directly from the laboratory tests, considering the critical state coinciding with the final failure line. These parameters were later optimized in order to better reproduce the overall observed laboratory test results. Finally numerical simulations of the earth fill construction were performed, considering the hydro-mechanical coupling three sets of material parameters previously identified. The first simulation with the optimized parameters produced excellent quantitative agreement with the data from in situ vertical displacements. However, despite good qualitative reproduction of in situ curves, values of pore-pressure and horizontal displacements were overestimated. Better agreement with these observed values could be reproduced with back analyses using different sets of parameters, but this generally degraded the reproduction of vertical displacement observations. It can be concluded that the adopted model could satisfactorily reproduce the overall in situ behavior observed during the construction of the experimental earth fill. However, despite the good capabilities of the SubCam model, this agreement is partly due to the fact that the earth fill did not reach failure in practice and that the phenomena of static liquefaction did not actually happen in situ as expected. In order to better reproduce the limited liquefaction observed during the undrained laboratory tests, it is recommended the adoption of a specific model that separates the influences of the instability and final failure lines.