Potencial de liquefação de solos residuais de xisto com base em ensaios in situ e laboratoriais e modelagem numérica de descaracterização de uma barragem de terra

Abstract

Esta dissertação investiga o potencial de liquefação estática em solos residuais de xisto localizados na fundação de uma barragem de rejeitos alteada a jusante, situada no Quadrilátero Ferrífero, em Minas Gerais. O estudo adota uma abordagem integrada, combinando ensaios laboratoriais, ensaios de campo (CPTu) e modelagem numérica com o modelo constitutivo NorSand, fundamentado na Mecânica dos Solos dos Estados Críticos. A pesquisa é estruturada em três níveis metodológicos, conforme proposta de Morrison (2022): i) análise de ensaios CPTu; ii) avaliação de ensaios triaxiais drenados e não drenados; e iii) simulações numéricas do comportamento tensão-deformação durante um processo hipotético de descaracterização da barragem. Os resultados dos ensaios laboratoriais indicam que o solo residual apresenta comportamento majoritariamente dilatante, com resposta frágil pós-pico e colapso estrutural sob saturação. A análise dos ensaios CPTu revelou resistência global elevada e comportamento majoritariamente dilatante, com exceção de um perfil que apresentou resposta contrátil e possível mobilização não drenada. A modelagem numérica com o modelo NorSand demonstrou coerência com os dados experimentais, embora tenha exigido ajustes nos parâmetros de dilatância e acoplamento volumétrico para representar adequadamente o comportamento do solo residual. A avaliação do estado de tensão em relação ao estado crítico indicou que os níveis atuantes na fundação estão abaixo do limiar de instabilidade por liquefação estática, sugerindo que o solo não se encontra em condição crítica. Conclui-se que, nas condições analisadas, o solo residual não é suscetível à liquefação estática. Esses resultados contribuem diretamente para segurança geotécnica de estruturas no Brasil, fornecendo evidências de que, mesmo sob cenários hipotéticos de esvaziamento rápido e alteração estrutural, o solo residual analisado mantém comportamento estável. Palavras-chave: barragens; solo residual; liquefação; parâmetros NorSand; estado crítico; descaracterização de barragens.This dissertation investigates the static liquefaction potential of residual shale soils located in the foundation of a downstream raised tailings dam in the Quadrilátero Ferrífero, Minas Gerais. The study adopts an integrated approach, combining laboratory tests, field tests (CPTu), and numerical modeling with the NorSand constitutive model, based on Critical State Soil Mechanics. The research is structured in three methodological levels, as proposed by Morrison (2022): i) analysis of CPTu tests with pore pressure dissipation; ii) evaluation of drained and undrained triaxial tests; and iii) numerical simulations of stress-strain behavior during a hypothetical dam decharacterization process. The laboratorial test results indicate that the residual soil exhibits predominantly dilatant behavior, characterized by a post-peak fragile response and structural collapse under saturation. The CPTu tests revealed hight global resistance and predominantly dilatant behavior, except one profile that presented a contractile response and possible undrained mobilization. Numerical modeling with the NorSand model, calibrated based on the triaxial tests, demonstrated consistency with the experimental data, although it required adjustments to the dilatancy and volumetric coupling parameters to adequately represent the residual soil behavior. The evaluation of the stress state in relation to the critical state indicated that the levels acting on the foundation are below the static liquefaction instability threshold, suggesting that the soil is not in critical condition. The conclusion is that, under the conditions analyzed, the residual soil is not susceptible to static liquefaction, even in scenarios of structural decharacterization. This study contributes to the advancement of understanding the behavior of tropical residual soils in complex geotechnical contexts, proposing methodologies adapted to the Brazilian reality and reinforcing the importance of detailed characterization in dam engineering projects. Keywords: dams; residual soil; liquefaction; NorSand parameters; critical state; dam decharacterization.