liquefação estática em depósitos de rejeitos de

COBRAMSEG 2010: ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. © 2010 ABMS.
Liquefação Estática em Depósitos de Rejeitos de Mineração
Lorena Romã Penna
Ministério da Integração Nacional, Brasília/DF, Brasil, [email protected]
Waldyr Lopes de Oliveira Filho
Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto/MG, Brasil, [email protected]
Luiz Gonzaga de Araújo
Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto/MG, Brasil, [email protected]
Francisco Eduardo Almeida
Samarco Mineração S.A., Mariana/MG, Brasil, [email protected]
RESUMO: O potencial de liquefação estática de um depósito de rejeitos de mineração de ferro é
examinada nesse artigo através de um estudo de caso por meios diretos, pelos métodos de Olson
(2001) e de Robertson e Campanella (1985), como também pelo método observacional dos efeitos
(sinais) do fenômeno, expresso por sand boils e trincas de alívio, ocorridos durante a construção de
um aterro teste.
PALAVRAS-CHAVE: Liquefação estática, rejeitos de mineração.
1
fato de que os depósitos de rejeito de mineração
apresentam, no geral, características de natureza
e formação que o fazem um cenário bastante
favorável à ocorrência do fenômeno da
liquefação dos solos, o qual provoca uma
redução substancial da resistência ao
cisalhamento do solo, podendo o mesmo se
comportar como um fluido denso, trazendo
conseqüências ainda piores em termos do
alcance do material liquefeito.
Nesse contexto, o objetivo desse artigo é
contribuir, a partir das análises/conclusões
obtidas em um estudo de um aterro
experimental (Penna, 2008), para que a questão
da avaliação do potencial de liquefação em
depósitos de rejeitos de mineração seja uma
premissa básica de projeto, inclusive em países
assísmicos como é o caso do Brasil, devendo
ser o nível de avaliação apropriado à estrutura
que se pretende construir.
INTRODUÇÃO
A demanda por bens minerais torna-se cada vez
mais notável no mundo inteiro, acarretando um
crescente aumento da quantidade de resíduos
gerados por esta atividade, o que acaba por
forçar a otimização dos processos construtivos
dos depósitos, que inclui aumento nas
dimensões dos reservatórios e maior velocidade
de construção dos aterros. Aliado a esse
cenário, rupturas envolvendo barragens de
rejeitos vêm se sucedendo em todo o mundo,
havendo registros de um grande acidente a cada
ano (Ávila, 2007), inclusive no Brasil,
provocando
desastres
ambientais
de
conseqüências inavaliáveis e, em muitos casos,
até envolvendo perdas humanas.
No Brasil temos exemplos de rupturas
de Fernandinho (1986), Mineração Rio Verde
(2001), Cataguazes (2003) e Miraí (2006 e
2007), algumas com fatalidades, mas todas
causando grandes danos econômicos e
ambientais, e porque não dizer gerando
desconfiança e insegurança por parte da
população, principalmente a que vive a jusante
de barragens. Um agravante no que tange às
rupturas com barragens de rejeitos refere-se ao
2
LIQUEFAÇÃO
ESTÁTICA
EM
DEPÓSITOS
DE
REJEITOS
DE
MINERAÇÃO
O fenômeno da liquefação dos solos acontece
quando depósitos granulares, de baixa
1
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compacidade in situ, em condições saturadas,
são solicitados por um esforço brusco
suficientemente capaz de produzir uma situação
não drenada, elevando as poropressões no meio
a valores tais que a tensão efetiva do material
caia consideravelmente, provocando uma
redução substancial da sua resistência ao
cisalhamento.
Pode-se designar o fenômeno da
liquefação de solos pelos termos: liquefação
dinâmica ou liquefação estática, a depender do
tipo de evento causador da sua iniciação. A
primeira situação é a mais conhecida, sendo
ocasionada por eventos dinâmicos, em especial
terremotos. Já na liquefação estática, trata-se de
um fenômeno iniciado por carregamentos
estáticos como: sobrecarga, aumento repentino
da superfície freática, elevada precipitação
pluviométrica, dentre outros.
Muitos relatos mostram a ocorrência da
liquefação estática com instabilidades iniciais
devidas a alteamentos, galgamentos, erosões
internas, superfície freática elevada, dentre
outros, atribuindo-se a rupturas convencionais o
efeito disparador do fenômeno (Wagener, 1997;
Olson, et. al, 2000, Fourie et. al, 2001, Olson e
Stark, 2003). No entanto, devido à existência
dessas rupturas iniciais, na maioria das vezes,
atribui-se à liquefação estática um papel
secundário nas rupturas, gerando muita
controvérsia a esse respeito, o que é
preocupante, pois apesar de precisar de uma
instabilidade inicial para ser iniciada, é ela
quem determina o potencial destruidor da
ruptura.
as conseqüências da ruptura em termos de
recalques e deslocamentos laterais (Olson,
2001). Nesse trabalho apenas a análise da
susceptibilidade é investigada.
Todos os materiais do depósito
suscetíveis à liquefação devem ser identificados
e, para isso, adicionalmente às informações
preliminares para caracterização do solo,
ensaios de laboratório em amostras não
deformadas, métodos geofísicos e ensaios de
campo de penetração podem ser usados.
Muitos pesquisadores alertam para o
fato de que questões importantes referentes ao
estado in situ do solo sejam difíceis de se
reproduzir em laboratório. Assim as técnicas de
campo têm sido preferidas, e as propostas em
uso há mais tempo correlacionam liquefação à
resistência local obtida nos ensaios de
penetração do tipo SPT ou de cone. Nesse
sentido, vale destacar Olson (2001) que
construiu uma base de dados com registros de
casos de rupturas por liquefação e correlacionou
com a fronteira proposta por Fear e Robertson
(1995), recomendada a partir de análises com
base nas teorias da mecânica dos solos e em
ensaios laboratoriais, a qual delimita zonas
susceptíveis (contrativas) e não susceptíveis à
liquefação (dilatantes); bem como, Robertson e
Campanella (1985) que desenvolveram uma
proposta de avaliação de potencial de liquefação
demarcando em um plano representado pelas
variáveis FR(%) (resistência por atrito lateral
normalizada) e qc (resistência de ponta corrigida)
uma região onde os materiais são mais
susceptíveis à liquefação, a qual chamaram de
zona “A”.
3
AVALIAÇÃO DO FENÔMENO DA
LIQUEFAÇÃO
3.2 Indicadores do Fenômeno da Liquefação
Além das metodologias clássicas de avaliação
do potencial de liquefação existe espaço para
método observacional do fenômeno a partir de
algumas manifestações típicas de liquefação
encontradas em eventos de ruptura geral ou
mesmo localizada como são os sand boils, as
trincas de alívio e o encharcamento da área.
Sand boils são formações que surgem
em vários pontos de um depósito, durante e
após o início de um processo de liquefação.
Assemelhando-se a mini-vulcões, eles expelem
uma mistura de água e partículas arenosas e sua
3.1 Metodologias de Avaliação
Os estudos de liquefação de solos contemplam
em geral três etapas (questões) principais, a
saber: a análise da susceptibilidade à liquefação
do depósito; a avaliação do evento disparador
do processo de liquefação (“triggering”), ou
seja, do mecanismo capaz de causar a
liquefação no meio; e a previsão do estado do
material no período pós-liquefação, analisando
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intensidade e duração depende do evento
disparador do processo e das características do
depósito, mas em geral os sand boils têm uma
duração significativa, mesmo após o fim do
processo de liquefação e são facilmente
identificados visualmente (Yang e Elgamal,
2001 e 2002), sendo seu acontecimento
associado à existência de camadas de materiais
distintos no perfil de um terreno, o que
predispõe a uma diferença de permeabilidade
no perfil, principalmente na região mais
superficial (Kokusho, 1999).
Assim como o surgimento dos sand
boils, a formação das chamadas trincas de alívio
também estão relacionadas com a ocorrência do
fenômeno da liquefação em terrenos não
homogêneos. E quando não existe um caminho
(sand boil) ou uma linha preferencial de alívio
(trinca), também são comuns as subidas d’água
sob pressão de forma generalizada, abrangendo
toda área no entorno de uma obra (área de
carregamento).
4
(a)
Baia 2
(b)
A maiores profundidades, perfil estratificado
Figura 1. (a) Vista da área da Baia 2 e (b) Perfil
Estratigráfico da Baia 2
O perfil acima mostra que a baia 2 é
constituída de camadas de material fino siltoarenoso e silto-argiloso resultando num
depósito estratificado e, vale destacar, algumas
características que indicam a sua propensão ao
fenômeno da liquefação, a saber:
- Método de disposição usado na forma
de aterro hidráulico, onde os rejeitos são
lançados misturados à água, portanto na
condição saturada;
Textura
do
rejeito
variada,
apresentando partículas finas em sua maioria,
principalmente silte, com camadas típicas siltoarenosa ou silto-argilosa;
- Sem processo algum de densificação, o
depósito de rejeitos apresenta baixa densidade
relativa;
- A maioria dos alteamentos se dá pelo
método de montante, onde os rejeitos fofos,
muito compressíveis e saturados, funcionam
como fundação dos novos diques; e
ESTUDO DE CASO
Uma área interna confinada do reservatório de
rejeitos de mineração de ferro da Samarco
Mineração S.A, Barragem de Germano, em
Mariana/MG, Brasil, e denominada baia 2, é
estudada nessa pesquisa quanto à sua
potencialidade
ao
desenvolvimento
do
fenômeno da liquefação estática.
A motivação para o estudo de caso se
deu pelo fato de a baia 2 apresentar
características de natureza e formação que a
fazem um cenário bastante propício à
ocorrência do fenômeno da liquefação, bem
como pela existência de relatos que dão registro
de que o referido depósito exibe certa
susceptibilidade à liquefação pela presença de
sand boils, trincas de alívio no terreno e
encharcamento associados a construções na
área, todos aspectos inequívocos do fenômeno
de liquefação.
4.2 Avaliação do Potencial de Liquefação
Uma avaliação formal do potencial de
liquefação é feita com base em análise de
ensaios de campo e estudos disponíveis em
alguns relatórios internos da Samarco. Também
4.1
Caracterização do Local de Estudo
A área da baia 2 analisada e o perfil
estratigráfico da mesma podem ser vistos na
Figura 1.
3
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contribuiu para o estudo de liquefação
observações de campo de obras realizadas no
local, inclusive com a construção de um aterro
teste instrumentado.
No
primeiro
caso
aplicam-se
metodologias consagradas para a avaliação da
susceptibilidade à liquefação do depósito, Olson
(2001) e Robertson e Campanella (1985), e, no
segundo, a abordagem é mais empírica com o
método observacional, através de instrumentos
(medidas de poropressão e deslocamento) e
observação visual (fotos, filmes e relatórios de
obra).
4.2.1
(b)
Metodologias Baseadas em Ensaios de
Campo
Para avaliação das camadas mais profundas do
da baia 2 (abaixo dos 2m), utilizaram-se as
metodologias de Olson (2001) e de Robertson e
Campanella (1985), as quais se baseiam em
resultados de ensaios de cone, tendo sido
obtidos os seguintes gráficos da Figura 2 de
análise de susceptibilidade para testes no local
do depósito (Deltageo, 2006).
Figura 2. (a) Metodologia de Olson (2001) e (b)
Metodologia de Robertson e Campanella (1985).
Os resultados mostram claramente que
todos os materiais do perfil do depósito da baia
2 se posicionam na zona liquefável do gráfico
de Olson. A essa constatação geral é necessário
que se recorde que a metodologia de Olson
(2001) é aplicável apenas aos solos
siltoarenosos ou arenosos (solos grossos) do
perfil. O gráfico referente à proposta de
Robertson e Campanella (1985) também mostra
que muitos pontos do perfil apresentam
susceptibilidade à liquefação (areias, siltearenosos e siltes), constatando-se alguns
resultados plotados fora do espaço possível,
embora se tratando de material aparentemente
fino argiloso (interpretação textural), que não se
enquadra na discussão sobre susceptibilidade.
(a)
4.2
Método Observacional
O método observacional foi usado na avaliação
do fenômeno da liquefação do deposito na
eventualidade da construção de um aterro teste
na forma de um pontão com 5m de altura, 28m
largura de base e 56m de comprimento. O
acompanhamento do procedimento construtivo
e do desempenho do aterro teste foi feito com
auxílio de instrumentação e observação de
campo. Esse trabalho de monitoramento com o
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acompanhamento da obra foi fundamental para
que correlações pudessem ser feitas com os
dados obtidos pela instrumentação de campo.
A instrumentação utilizada teve por
objetivo medir poropressões e deslocamentos
(verticais e horizontais) nas condições antes,
durante e após a construção do aterro, e
consistiu de 6 medidores contínuos de
poropressão, 2 placas de recalque, vários
marcos superficiais e outras ferramentas
topográficas.
O
posicionamento
das
sondas
piezométricas se deu em regiões mais
superficiais, até cerca de 2,0 m de
profundidade, uma vez que a intenção do estudo
era observar as mudanças no terreno a cada
novo estágio da fase construtiva, profundidade
limitada de influência. Alguns medidores de
pressão foram utilizados, inclusive, como
ferramentas de monitoramento em tempo real.
Algumas
constatações
importantes
obtidas a partir de métodos observacionais
aplicados à obra do aterro teste foram as
seguintes:
- Poropressões muito elevadas nas
camadas superiores do depósito foram
registradas durante a construção do aterro teste
com medidores posicionados até cerca de 2 m
de profundidade tal como mostrado na Figura 3;
momentos da construção como indicados na
Figura 4;
(a)
(b)
Figura 4. Manifestações de Sand Boils na Baia 2
- Surgências de água (encharcamento)
foram observadas nos arredores do aterro teste
durante a construção do forro numa área onde o
NA original estava a 70 cm de profundidade.
Essa subida do NA mostrada na Figura 5 deve
estar associada aos altos valores de poropressão
gerados pela obra (Figura 3), uma vez que não
estava sendo lançado material na área há
tempos e a sobrecarga imposta ao terreno
(baixa) isoladamente não produziria este efeito
de tamanha magnitude;
Figura 3. Leitura de medidor de poropressão antes,
durante e após a construção, e elevação do nível d’água
do depósito
Figura 5. Surgências de água na superfície da Baia 2
- Muitas ocorrências de mecanismos de
alívio de poropressão tipo sand boils e trincas
de alívio foram observadas em diversos
- Deslocamentos verticais e horizontais
das placas de recalque significativos,
considerando-se
a
escala
que
eles
representavam; e
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densificar as camadas de rejeito granular por
compactação dinâmica ou vibração, ressecar os
rejeitos finos (lamas) e, até mesmo, aumentar a
densidade do rejeito na fase de beneficiamento
(espessamento);
- Ter cuidados de projeto de forma a
prevenir rupturas iniciais do tipo: erosão
interna, galgamento e/ou desconfinamento,
ruptura de talude de jusante as quais podem ser
suficientes para um “triggering” de liquefação.
Ajuda nesse sentido projetar estruturas de
contenção com taludes gerais bastante suaves e
eventualmente lançando mão de obras de
contenção (reforço) no caso de prevenir
instabilidades. Ainda para evitar galgamentos,
grande
atenção
deve
ser
dada
ao
dimensionamento hidráulico de extravasores,
borda livre e volumes de espera do reservatório.
- Introduzir elementos filtrantes verticais
no depósito (“wick drains”, colunas de areia ou
brita, etc.) de modo a aliviar poropressões
associadas a métodos construtivos tipo ponta de
aterro geradas antes ou após a construção.
- Quanto à movimentação dos marcos
superficiais instalados nos taludes e offsets do
aterro teste, o que é relevante deste últimos
além do deslocamento horizontal é o
levantamento do terreno, que variou de 6 a 28
cm.
Por todos esses pontos parece
conclusivo que o horizonte mais superficial da
baia 2 apresenta camadas com real potencial de
liquefação .
4
MEDIDAS PREVENTIVAS PARA
CONSTRUÇÃO EM SOLOS SUSCEPTÍVEIS
À LIQUEFAÇÃO
Pelas considerações expostas nos itens
anteriores, é notório que os rejeitos
armazenados
na
baia
2
apresentam
características que os tornam susceptíveis à
liquefação. No entanto, é importante ressaltar
que o fato de um terreno ser potencialmente
susceptível à liquefação não implica que o
fenômeno acontecerá. Para que isso não ocorra,
algumas recomendações sobre construções
neste tipo de depósito são feitas a seguir:
- Realizar um acompanhamento
contínuo das obras, registrando todas as
informações relevantes na forma de um
histórico ou diário de obra, de modo que os
responsáveis atuais ou qualquer um interessado
possam ter acesso a esse conhecimento sobre a
estrutura e o depósito onde ela está assente;
- Prestar atenção em indicadores do
fenômeno da liquefação, ou seja, no surgimento
de sand boils ou trincas de alívio de
poropressão na superfície do terreno no entorno
das obras, pois esses mecanismos indicam que
poropressões consideráveis estão sendo
geradas;
- Ter como prática a instrumentação das
obras a fim de conhecer o limite prático da
mesma, acompanhando variáveis como:
poropressão, deslocamentos e elevação do nível
d’água local;
- Mudar as características do estado in
situ do rejeito de forma a atenuar os problemas
com liquefação. Exemplos incluem: rebaixar o
nível d’agua subterrâneo e melhorar o
escoamento superficial com bombas e drenos;
3
CONCLUSÕES
As metodologias existentes de avaliação do
potencial de liquefação com base em ensaios de
cone mostraram-se consistentes na análise de
um deposito de rejeitos e indicaram sua
susceptibilidade.
A mesma conclusão foi também
alcançado por método observacional a partir da
ocorrência de indicadores de liquefação quando
da construção de um aterro teste sobre o
depósito. Foram registrados o surgimento de
muitos sand boils, trincas de alívio e uma
subida do nível d’água no entorno do aterro
teste (encharcamento).
Apesar de demonstrado o potencial de
liquefação, foi indicado no trabalho claramente
que medidas preventivas podem inibir a
deflagração do fenômeno da liquefação, evento
de uma natureza por demais perigosa para
estruturas de reservação como barragens de
rejeitos.
AGRADECIMENTOS
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COBRAMSEG 2010: ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. © 2010 ABMS.
Wagener, F. (1997). The Merriespruit slimes dam failure:
overview and lessons learnt. Journal of the South
African Institution of Civil Engineering, 39(3):11–15.
Os autores agradecem o papel essencial da
empresa mineradora Samarco S. A. que
possibilitou a realização do experimento do
aterro teste e também permitiu a divulgação
deste trabalho. Esse agradecimento também
deve ser estendido à FAPEMIG pelo seu
suporte financeiro também empregado nesta
pesquisa através da TEC APQ-3507-5.07/07. O
primeiro autor também agradece ao CNPq a
bolsa de mestrado.
Yang, Z. e Elgamal, A. (2001). "Sand Boils and
Liquefaction-Induced Lateral Deformation," (CDROM), Lessons Learned From Recent Strong
Earthquakes, Proc., 15th Intl. Conf. on Soil
Mechanics and Geotechnical Engineering, 23 – 25
August, Istanbul, Turkey, A.M. Ansal, Ed.
Yang, Z., e Elgamal, A., (2002). "Influence of
Permeability
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Liquefaction-Induced
Shear
Deformation," Journal of Engineering Mechanics,
ASCE, Vol. 128, No. 7.
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Kokusho,T. (1999). Formation of water film in liquefied
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Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,
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Olson, S.M., Stark, T.D., Walton, W.H., e Castro, G.
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Olson, S. M. (2001) “ Liquefaction Analysis of level and
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Olson, S. M. e Stark, T. D. (2003). “Yield Strength Ratio
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Robertson, P.K. e Campanella, R.G. (1985). Liquefaction
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384-403.
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