Caracterização geotécnica de um rejeito clay-like do Quadrilátero Ferrífero

Abstract

A operação e manutenção de barragens de rejeitos requer o conhecimento detalhado dos rejeitos acumulados. É necessário um bom conhecimento sobre o comportamento mecânico e hidráulico, bem como seus limites aceitáveis e variações em profundidade e horizontalmente, tornando-se informações imprescindíveis para processos de reaproveitamento de água, monitoramento, operação e desenvolvimento de projetos sob o domínio das barragens de rejeito. Recentes eventos catastróficos de ruptura de barragens como a barragem de Fundão (2015), em Mariana - MG, e a Barragem I da Mina do Córrego do Feijão (2019), em Brumadinho - MG, levantaram questões que fomentaram a discussão quanto aos métodos utilizados para monitoramento, operação e segurança dessas estruturas para a disposição de rejeitos de mineração. Com isso, o entendimento das propriedades dos rejeitos relevantes para a engenharia geotécnica tornou-se fundamental para projetos de descaracterização, monitoramento e segurança das barragens. Diante do exposto, este trabalho teve como objetivo a caracterização geomecânica de um rejeito de minério de ferro do tipo clay-like localizado no Quadrilátero Ferrífero. Foram realizados os ensaios de caracterização física (granulometria, limites de Atterberg, peso específico dos sólidos, determinação da umidade natural e índice de vazios), bem como os resultados dos ensaios de compressão triaxial e cisalhamento direto simples, ambos realizados na condição drenada e não drenada e com amostras na condição fofa e compacta. As amostras de rejeito fino indicaram uma composição granulométrica de 93% de finos. Para os ensaios de compressão triaxial, as amostras de material fino indicaram valores de ângulo de atrito efetivo de 30° e intercepto coesivo efetivo de 6 kPa, enquanto para os ensaios de cisalhamento direto simples, foi encontrado um valor de 30° no estado plano de deformação. Além disso, a interpretação dos ensaios triaxiais subsidiou a determinação dos parâmetros de deformabilidade, fazendo uso do modelo constitutivo hiperbólico. Os valores para o módulo de deformabilidade e módulo volumétrico, para as amostras de rejeitos finos, foram variáveis de acordo com a tensão de confinamento, apresentando valores na faixa de 2,96 a 43,26 MPa para o módulo de deformabilidade e 0,48 a 2,25 MPa para o módulo volumétrico. O ângulo de atrito efetivo no estado crítico foi de 32° para as amostras de rejeito fino. Além da definição de diversos parâmetros de engenharia, os resultados obtidos pelos ensaios de campo (SCPTu’s e ensaios de palheta) indicaram que o material exibe comportamento contrátil e, portanto, é suscetível à liquefação. A resistência não drenada se mostrou variável com a profundidade, apresentando uma relação diretamente proporcional. A razão de resistência não drenada obtida foi de 0,33 e o material apresenta sensibilidade compatível com argilas de baixa sensibilidade. Através de correlações dos ensaios sísmicos e de penetração do CPTu, foram obtidos o módulo edométrico (M) e módulo de cisalhamento (G 0 ). O módulo edométrico médio foi de 5,31 MPa, enquanto o módulo de cisalhamento apresentou valores maiores para as correlações com a velocidade de onda cisalhante (56,79 MPa) quando comparadas com as correlações com o ensaio de penetração (33,22 MPa). Palavras-Chave: Rejeitos de barragem. Minério de ferro. Clay-like. Modelo hiperbólico. Estado crítico. Ensaios de laboratório. CPTu. SCPTu. Ensaios de palheta. Liquefação. Ensaios de campo.

The operation and maintenance of tailings dams requires detailed knowledge of accumulated tailings. Good knowledge of mechanical and hydraulic behavior is required, as well as their acceptable limits and variations in depth and horizontally, making it essential information for water reuse processes, monitoring, operation and development of projects under the domain of dams. of reject. Recent catastrophic dam failure events such as the Fundão dam (2015), in Mariana - MG, and Dam I of the Córrego do Feijão Mine (2019), in Brumadinho - MG, raised questions that fostered discussion regarding the methods used for monitoring, operating and securing these structures for the provision of mining tailings. As a result, understanding the properties of tailings relevant to geotechnical engineering has become fundamental for decharacterization, monitoring and dam safety projects. Given the above, this work aimed at the geomechanical characterization of a clay-type iron ore tailing located in the Quadrilátero Ferrífero. Physical characterization tests were carried out (granulometry, Atterberg limits, specific weight of solids, natural moisture and voids index), as well as the results of triaxial compression and simple direct shear tests, both carried out in the drained condition and not drained and with samples in soft and compact condition. The fine tailing samples indicated a granulometric composition of 93% of fines. For the triaxial compression tests, the fine tailing samples indicated values of an effective friction angle of 30° and an effective cohesive intercept of 6 kPa, while for the simple direct shear tests, a value of 30° was found in the plane of deformation state. Furthermore, the interpretation of the triaxial tests supported the determination of the deformability parameters, making use of the hyperbolic constitutive model. The values for the modulus of deformability and volumetric modulus, for the samples of fine taiing, were variable according to the confinement stress, presenting values in the range of 2.96 to 43.26 MPa for the modulus of deformability and 0.48 to 2.25 MPa for the volumetric module. The effective friction angle in the critical state was 32° for the fine tailing samples. In addition to defining several engineering parameters, the results obtained by field tests (SCPTu's and vane tests) indicated that the material exhibits contractile behavior and, therefore, is susceptible to liquefaction. The undrained resistance was variable with depth, showing a directly proportional relationship. The undrained strength ratio obtained was 0.33 and the material has a sensitivity compatible with low sensitivity clays. Through correlations of the seismic and penetration tests of the CPTu, the edometric modulus (M) and shear modulus (G 0 ) were obtained. The mean edometric modulus was 5.31 MPa, while the shear modulus showed higher values for the correlations with the shear wave velocity (56.79 MPa) when compared to the correlations with the penetration test (33.22 MPa). Keywords: Tailings dam. Iron ore tailings. Clay-like. Hyperbolic model. Critical state. Laboratory tests. CPTu. SCPTu. Vane tests. Liquefaction. Field tests.