Geotecnia Aplicada a Rejeitos de Mineração - Professor João Paulo de Sousa Silva

PÓSGRADUAÇÃO EM ENGENHARIA GEOTÉCNICA IEC PUC MINAS Professor João Paulo de Sousa Silva GEOTECNIA APLICADA A REJEITOS DE MINERAÇÃO Disciplina Engenheiro Civil UFOP2005 Mestre em Geotecnia USP2014 Doutor em Geotecnia UnB2022 18 anos de experiência em geotecnia aplicada a mineração em projetos no Brasil América do Sul e África Engenheiro Geotécnico na Vale SA desde 2011 João Paulo de Sousa Silva 31 971781262 silva81jpsgmailcom CONTATOS PROFESSOR 2 1 Kulhawy FH and Mayne PW 1990 Manual on Estimating Soil Properties for Foundation Design EPRI httpwwwepricomabstractsPagesProductAbstractaspxProductIdEL6800Modedownload 2 Ladd CC and Foote R 1974 New Design Procedure for Stability of Soft Clays Journ Geotech Div ASCE v 100 no GT7 3 Ladd CC 1991 Stability Evaluation During Staged Construction Journ Geotech Eng ASCE v 117 no 4 4 Mayne PW 2008 Piezocone profiling of clays for maritime site investigations 11th Baltic Sea Geotechnical Conference httpgeosystemscegatecheduFacultyMaynepapersMayne20200820Keynote2011th20Balti c20Geotech20Confpdf 5 Morgenstern N Van Zyl D and VickSG 2015 Report on Mount Polley Tailings Storage Facility Breach Province of British Columbia httpswwwmountpolleyreviewpanelcafinalreport 6 US Army Corps of Engineers 2003 Slope Stability EM 111021902 httpwwwpublicationsusacearmymilPortals76PublicationsEngineerManualsEM111021902pdf BIBLIOGRAFIA Revisão Why soil behaves as it does 4 Fonte Vick 1990 A resistência por atrito pode ser simplificadamente demonstrada pela analogia com o problema de deslizamento de um corpo sobre uma superfície plana horizontal esquematizado na figura 21 A tensão de cisalhamento da ruptura é geralmente considerada como a maior tensão de cisalhamento resistida pelo corpo de prova embora em casos especiais ela possa ser considerada como a tensão para uma certa deformação ou a tensão residual após longo deslo Como a tensão normal e de cisalhamento neste ensaio são conhecidas só num plano o estado de tensões não só nos diferentes planos não é conhecido No estado de ruptura porém se a envoltória for conhecida o círculo do Mohr pode ser obtido como se mostra na figura 44 A envoltória de Mohr é geralmente curva embora com frequência ela seja substituída pela reta que melhor se ajusta à curva no intervalo de tensões de interesse para a resolução de problemas práticos Neste caso a envoltória tem a seguinte equação s c σ tg φ sendo c chamado de coesão e φ o ângulo de atrito Para não confundir com a coesão real o parâmetro c que pode ser devido a uma coesão aparente ou a um ajuste da curva é por alguns autores chamado de in sen φ σ1 σ3 σ1 σ3 αα σ3 1 sen φ Tensão efetiva representada pelo símbolo σ ou σ é a parte da tensão total resistida pela estrutura das partículas do solo Um dos princípios da mecânica dos solos introduzido por Terzaghi é o de que em solos saturados a tensão efetiva é igual à diferença entre a tensão total e a tensão neutra σ σ μ 13 Na figura 51 estão apresentados os resultados de ensaios realizados sobre corpos de prova de uma areia molhada com diferentes índices de vazios sendo um no estado fôfo e outro no estado compacto Nos dois casos atuava a mesma pressão de confinamento σc Circulos de Mohr No caso de areia fôfa o acréscimo de pressão axial σ1σ3 aumenta continuamente com a deformação específica até atingir um máximo σ1σ3max que é a sua resistência à compressão Este va lor máximo e a pressão de confinamento σc σ3 definem o círculo de Mohr na ruptura No caso da areia compacta o acréscimo de pressão axial cresce muito mais rapidamente com a deformação específica Envoltórias de resistência Os acréscimos de pressão axial do corpo de prova 4 são iguais ao dobro dos acréscimos de pressão axial do corpo de prova 2 para qualquer valor de deformação específica inclusive a correspondente à ruptura Desta forma a envoltória de resistência deste solo é uma reta passando pela origem como mostra a figura 62 e a resistência ao cisalhamento de um solo normalmente adensado pode ser expressa pela equação s σ tg φ Ângulos de atrito interno típicos 2 Argilas normalmente adensadas Consideremos dois corpos de prova moldados com uma argila com teor de umidade próximo ao seu limite de liquidez Submetamos estes corpos de prova referidos pelas indicações 2 e 4 a diferentes pressões de confinamento por exemplo 2 kgcm² e 4 kgcm² e os deixemos adensar sob estar pressões A seguir mantendose as pressões confinantes apliquemos carregamento exial lentamente até a ruptura dos corpos de prova Os resultados típicos destes ensaios estão indicados na figura 61 Envoltórias de resistência Os acréscimos de pressão axial do corpo de prova 4 são iguais ao dobro dos acréscimos de pressão axial do corpo de prova 2 para qualquer valor de deformação específica inclusive a correspondente à ruptura Desta forma a envoltória de resistência deste solo é uma reta passando pela origem como mostra a figura 62 e a resistência ao cisalhamento de um solo normalmente adensado pode ser expressa pela equação s tg ϕ CU test Sample no H 64 B Cell pressure σ3 600 kPa strain pore pressure u kPa corrected deviator stress σ σ3 kPa σ1 kPa σ2 kPa 0 400 0 200 200 200 0 067 438 41 162 203 122 5 205 112 449 59 151 210 120 5 295 154 459 78 141 219 180 5 485 218 467 97 123 221 121 5 61 306 476 122 124 245 125 61 Calculations σ3 600 449 151 σ1 59 151 210 σ1 σ2 210 151 1805 2 σ1 σ2 59 295 2 t σ₁ σ₃ 2 P t at maximum ENSAIOS DA MECÂNICA DOS SOLOS MODERNOS 1940 em diante Medidas Axial load Axial deformation Radial stress sr Pore pressure Volume change Componentes sa ea ev ENSAIO TRIAXIAL Há três tipos de ensaio triaxial 1 UU ou Q Não consolidado e não drenado 2 CU ou R Consolidado e não drenado 3 CD ou S Consolidado drenado Compressão não confinada UC Engenharia Civil Texas Tech University s30 s1 Compressão Uniaxial ENSAIO TRIAXIAL UU ou Q Também é chamado de ensaio rápido o ensaio UU simula a resistência de curto prazo ao cisalhamento de solos coesivos ENSAIO TRIAXIAL CU ou R O carregamento não começa até que a amostra pare de drenar ou adensar obtemos ce u Tensões Efetivas cTT Tensões Totais ENSAIO TRIAXIAL CD ou S Também chamado de ensaio lento ele simula a resistência ao cisalhamento de longo prazo para solos coesivos Pode levar até 2 semanas Engenharia Civil Texas Tech University Ensaio Triaxial em Areia Figuras 45 psi 30 psi 15 psi sc sb su ma Staged ConstructionAnalysis for Tailings Dams DESIGN AND ASSESSMENT OF MINE WASTE STRUCTURES DECEMBER 2015 UNIV OF ALBERTA VICK 1 Tópicos 1 Kinds of pore pressure 2 Undrained strength analysis vs effectivestress analysis 3 Stress history and undrained strength 4 Staged construction analysis 5 Factors of safety Scope cohesive siltclay foundation soils 43 of tailings dams in BC cohesionless soils static liquefaction not treated introduction to key concepts assume basic understanding of soil mechanics principles The Problem factor of safety available shear resistance shear resistance required for equilibrium What kind of shear resistance Under what conditions Subject to what pore pressures Kinds of pore pressure 1 Static pore pressure due to seepage u0 u0 Kinds of pore pressure 2 Excess pore pressure due to applied loading ue ue Kinds of pore pressure 3 Pore pressure due to shearing us us Kinds of stability analysis Effectivestress analysis ESA Kinds of stability analysis Undrained strength analysis USA Kinds of stability analysis Strength comparison Effective stress analysis ESA Undrained strength analysis USA Mohr Coulomb envelope c φ covers full range of applied stress used for longterm steady seepage condition undrained strength ratio Suσv covers full range of OCRs used for staged construction condition Kinds of stability analysis Rapid failure slow failure undrained shearing occurs when the rate of shearing exceeds the rate at which the pore pressures generated by shearing us are able to dissipate USA applies to rapid failures Rapid failure does not require rapid loading Undrained failure triggers 1 Rapidlyapplied load increment Undrained failure triggers 2 Postpeak reduction in Su sensitivity undrained brittleness strength reduction increases with increasing OCR loadshedding leads to progressive failure peak Suσv 025 at γ 20 Suσv 020 OCR 11 20 strength reduction Undrained failure triggers 3 Retrogressive failure small slump at toe causes rapid change in shear stress failure advances upslope Undrained failure triggers 4 Erosionexcavation at toe Pinchi Lake BC 1971 glaciolacustrine clay foundation erosion at toe from unlined spillway slide in downstream slope Undrained failure triggers 5Abrupt change in water pressure Beaumont clay initial overconsolidation ratio OCR 10 OCR under midslope at failure 10 Undrained failure triggers 6 Seismic Turnagain Heights Landslide Alaska M92 1964 Good Friday earthquake Bootlegger Cove clay OCR 12 16 high sensitivity Suσv 020 Undrained strength and stress history Normalized strength and overconsolidation ratio overconsolidation ratio OCR is the ratio of maximum past pressure σp to insitu vertical stress σv OCR σpσv normally consolidated OCR 10 overconsolidated OCR 10 undrained strength ratio Suσv depends on OCR note lower values for varved clays Undrained strength and stress history Geologic mechanisms of overconsolidation desiccation groundwater lowering overburden removal erosion glacial scouring glacial ice melt freezethaw Undrained strength and stress history Implications for tailings dams 1 The stress history of a deposit is not an intrinsic soil property but a function of its maximum past pressure and the stresses imposed which change over time during dam construction 2 A clay that is initially stiff and overconsolidated tends toward normally consolidated as the dam is raised Estimating maximum past pressure 1 oedometer test σp σv σp OCR 10 1 undrained strength ratio decreases 2 cv decreases reducing pore pressure dissipation during shearing and enhancing undrained behaviour Estimating maximum past pressure 2 CPT correlations with tip resistance piezocone pore pressure Estimating maximum past pressure 3Atterberg limits Pa atmospheric pressure Estimating undrained shear strength States of stress simple shear provides average approximation Estimating undrained shear strength Sample disturbance highestquality undisturbed samples required for lab testing xrayed or CT scanned tubes a must for selecting test specimens Estimating undrained shear strength 1 Direct Simple Shear DSS testing normal stress is varied to achieve constant volume undrained conditions Estimating undrained shear strength 2 Triaxial testing isotropically consolidated CIUC correction for anisotropic consolidation correction for stress state Estimating undrained shear strength 3 Correlations OCR 10 OCR 10 Estimating excess pore pressure embankment raising schedule Estimating excess pore pressure Coefficient of consolidation 101 102 103 104 σp Estimating excess pore pressure ueversus time Staged construction analysis Stepwise procedure 1 Determine dam construction staging and schedule 2 Determine maximum past pressure of foundation clays σp 3 For each raise a find static foundation pore pressures from seepage analysis u0 b find excess foundation pore pressures from consolidation analysis ue c determine vertical effective foundation stresses σv from raise configuration u0 and ue d determine foundation OCR profile from σv and σp e determine foundation Suσv from OCR f perform stability analyses using Suσv 4 Repeat 3 for all raises up to maximum design height Problem soils undisturbed sampling not possible reconsolidation may affect structure may have no unique σp lower Suσv Staged construction case history Site investigation blue holes located outside dam footprint so σp not influenced by dam stresses Staged construction case history Stratigraphy Staged construction case history Dam zoning and construction staging Stress history Stress history Stress history Stress history Stress history Stress history Stress history Stress history Stress history Stress history Change over time Staged construction stress history Stage 1 Undrained FS reduction USAat failure avg Suσv 027 FS 0991 ESA FS 1532 Postfailure conditions Deformation analysis Failure development 12 hr realtime process Failure development 1 Initial conditions Failure development 2 Early subsidence Failure development 3 rotation and upthrust Failure development 4 Incipient overflow and breach FS criteria for staged construction CDAGuidelines for Mining Dams 2014 risk assessment can be used to establish FS criteria only if undrained shearing is recognized as a potential failure mode FS criteria for staged construction Corps of Engineers 2003 FS criteria for staged construction Corps of Engineers 2003 2 For embankments over 50 ft high on soft foundations that will be subjected to pool loading during construction a higher than 13 minimum endofconstruction factor of safety may be appropriate More uncertainty exists in analyses of staged construction than for other cases and this should be taken into consideration when selecting appropriate shear strength values and factors of safety for design FS criteria for staged construction Sources of uncertainty factor USA stagedconstruction ESA longterm dam raising schedule critical secondary strength parameters typically 10 typically 10 sample disturbance critical secondary stress history critical NA excess pore pressures critical NA static pore pressures important important FS criteria for staged construction Historical precedent for undrained strength COE 1979 FS criteria for longterm steady seepage FS the ratio of available shear resistance to that required for equilibrium COE 2003 The shear resistance that is available depends on the rate of shearing FS criteria and instrumentation Observational approach piezometers cannot measure us unknown location of shear surface red zone NC inclinometers subject to continuous construction damage green zone inclinometers may not warn soon enough in brittle OC clays rapid failure leaves little time for response alternative tailings locations may not be available Summary of key points 1 USA addresses failures that occur rapidly with respect to the ability of foundation materials to drain 2 rapid failures result not just from rapid loading 3 Both rapid USA and slow ESA failures need to be analyzed 4 stress history during embankment raising controls undrained strength and excess pore pressures 5 stiff OC clays become soft NC under most tailings dams 6 FS 15 is warranted for USA under both staged construction and longterm steady seepage conditions