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Dissertao de Mestrado
CARACTERIZAO LITOESTRUTURAL E PARAMETRIZAO GEOMECNICA DAS
SUPERFCIES DE RUPTURA EM TALUDES
DA MINA DE N4E. CARAJS PA.
AUTOR: GILVAN S
ORIENTADOR: Prof. Dr. Rodrigo P. de Figueiredo CO-ORIENTADOR:
Dr. Fbio Soares Magalhes
MESTRADO PROFISSIONAL EM ENGENHARIA GEOTCNICA DA UFOP
OURO PRETO - MAIO DE 2010
-
Catalogao: [email protected]
S111c S, Gilvan. Caracterizao litoestrutural e parametrizao
geomecnica das superfcies de ruptura em taludes na Mina de N4E
Carajs / PA [manuscrito] / Gilvan S. -2010 xxi, 172f.: il., color.;
grafs.; tabs.; mapas.
Orientador: Prof. Dr. Rodrigo P. Figueiredo. Co-orientador:
Prof. Dr. Fbio Soares Magalhes.
Dissertao (Mestrado) - Universidade Federal de Ouro Preto.
Escola de Minas. NUGEO. rea de concentrao: Geotecnia aplicada
minerao.
1. Taludes - Teses. 2. Minas e recursos minerais - Teses. I.
Universidade Federal de Ouro Preto. II. Ttulo.
CDU: 622(811.5)
-
iii
O principal dever do homem para consigo mesmo instruir-se; e o
principal dever do homem para com o seu semelhante instru-lo.
Emille Littr
-
iv
DEDICATRIA
Dedico esta obra a minha amada famlia, Karina, Lucas e Leandra e
aos meus amados pais Ivan e Erna.
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v
AGRADECIMENTOS
Gostaria de expressar meus sinceros agradecimentos a VALE S/A e
a VALER (Universidade Corporativa - VALE) pela oportunidade que me
foi confiada, atravs do desafio de desenvolver este trabalho.
Gostaria de agradecer o professor Romero e a Universidade
Federal de Ouro Preto, atravs do programa de mestrado em engenharia
geotcnica ofertado pelo Ncleo de Geotecnia NUGEO, a oportunidade de
ser aluno desta valorosa e histrica instituio, pela estrutura do
curso e dedicao do corpo docente.
Aos colegas de mestrado, pelo aprendizado e timos momentos
vividos, sendo possvel desenvolver a multidisciplinaridade entre
grandes profissionais de diferentes reas e empresas; pelas
experincias profissionais e de vida de cada um compartilhada.
Muitssimo obrigado.
Aos colegas da VALE que, direta ou indiretamente, contriburam
para que este trabalho fosse desenvolvido, no poderia deixar de
aqui registrar meus agradecimentos: Aristotelina Silva, Amarildo
Souza, Raul Valentim, Juscelino Nzio, Joclio Fernandes, Guilherme
Tammerick , Teteu e Joo Queiroz.
Aos profissionais da BVP engenharia que contriburam para a
aquisio e tratamento dos dados utilizados: Paulo Cella, Marcos
Pires, Ezequias Souza, Bruno Faria, Rassa, Joo Franco, Vanese
Vieira, Glades Aquino e Daniela Ferreira. Obrigado pela pacincia,
tolerncia e discusses tcnicas.
Ao Engenheiro Felipe Gobbi pelas discusses e observaes referente
aos ensaios geotcnicos e resultados obtidos.
Ao profissional Paulo Franca, meu gerente na poca, pessoa que me
deu esta
-
vi
oportunidade e acreditou no meu propsito, lhe agradeo pela
maneira de como conduziu e conduz as pessoas por voc
gerenciadas.
Aos meus orientadores: Prof. Dr. Rodrigo P. de Figueiredo lhe
agradeo por ter aceitado ser meu orientador, obrigado pelos
conselhos, entusiasmo e simplicidade demonstrada entre orientador e
orientado; e ao Dr. Fbio Soares Magalhes gostaria de agradecer por
todos os momentos vividos em torno deste objetivo, pelas revises,
conselhos, empenho, humildade e grande sabedoria, sem falar na
ajuda da elaborao da dissertao, tenha certeza que os momentos de
dedicao foram sempre espelhados em sua pessoa.
Aos amigos espirituais, registro meu humilde agradecimento,
sempre que busquei Luz e Conforto, principalmente nos momentos
difceis, prontamente fui atendido e orientado.
Aos meus pais Ivan e Erna, hoje no Oriente Eterno, obrigado pelo
carinho, pelos princpios e valores passados a mim em vida, levarei
para toda a eternidade.
A minha esposa Karina e meus filhos Lucas e Leandra, externo
meus sinceros agradecimentos pela compreenso nos momentos de
dificuldade, pelo carinho, pelo apoio, pela doao, vocs realmente so
os pilares de sustentao da minha vida, divido a autoria deste
trabalho com vocs. Obrigado.
-
vii
RESUMO
A Provncia Mineral de Carajs foi descoberta na dcada de 60. Suas
atividades tiveram incio na dcada de 80 e aumentaram
consideravelmente at os dias atuais sendo uma das unidades mais
importantes da VALE S/A, na explorao de minrio de ferro. A mina N4E
foi escolhida em funo de ser a principal mina da Provncia Mineral
de Carajs e a que apresenta maior nmero de eventos de ruptura de
taludes ao longo de suas atividades. Composta por litotipos com
grau de alterao e resistncia variadas, definindo macios
heterogneos, anisotrpicos com diferentes respostas resistncia ao
cisalhamento. Eventos de rupturas demonstraram um forte
condicionamento geolgico estrutural, principalmente nas rochas
metabsicas de lapa (footwall), caracterizando rupturas planares e
plano-circulares demonstrando a necessidade de um melhor
entendimento do arcabouo estrutural e dos condicionantes de
rupturas. Com esse foco realizou-se uma campanha de investigao
geolgico-geotcnica por meio de mapeamento litoestrutural e
geomecnico na escala 1:2.000 e ensaios laboratoriais a fim de
definir os parmetros de resistncia dos litotipos ensaiados. Foram
selecionadas trs reas no talude de footwall onde ocorreram rupturas
para a realizao de retroanlises, ajuste e aferio dos parmetros de
resistncia e mtodos aplicados, nomeadas de Talude Cava Central,
Talude Sudeste e Talude Sul. Os critrios de resistncia ao
cisalhamento empregados para as retroanlises foram: critrios de
Mohr Coulomb e de Barton & Bandis, as quais auxiliaram nos
ajustes dos parmetros obtidos a partir dos ensaios de laboratrio.
Esses mtodos demonstraram boa aplicabilidade aos estudos de casos.
Os mtodos utilizados para o clculo do fator de segurana foram os
mtodos Spencer e GLE/ Morgenstern Price aplicados em funo de seu
maior rigor. O resultado final apresentou parmetros de resistncia
ajustados s condies de rupturas presentes no contato basal
(footwall).
Palavras-chaves: Estabilidade de Taludes; Mina de N4E; Provncia
Mineral de Carajs
-
viii
ABSTRACT
The Carajs Mineral Province has been discovered in the 60s and
mining activities began in the 80s, which has been increasing
significantly up to the present day. It is the most important unit
of VALE Company, related to the exploitation of iron ore. The N4E
mine has been chosen because it is the main mine of the Carajs
Mineral Complex and it presents the higher number of slope failure
events along its activities. The mine is composed by rocks with
variations in the degree of weathering and strength, defining
heterogeneous and anisotropic rock masses with different responses
to shear strength. Slope failure events have shown a strong
structural conditioning, mainly at the metabasic rocks of footwall,
characterizing the slope failures as plane and circular-plane.
These facts demonstrated the need for a better knowledge on the
structural framework and the failure conditions existents on the
mine. Thus, with this objective, it has been carried out a detailed
structural geological mapping investigation at 1:2000 scale and
laboratory tests regarding strenght parameters of the lithotipes
examined. Upon events of slope failures, three areas on the slope
footwall have been selected, in order to be performed back
analysis, adjustments and estimations of both the strenght
parameters and applied methods. These areas were determined as
Central Pit Slope, Southeast Slope and South Slope. The Mohr
Coulomb and Barton & Bandis criterion were used as back
analysis, which helped to the adjustment of the parameters obtained
by laboratory tests. These methods have demonstrated good
applicability of the case studies. The methods used to calculate
the safety factor methods were Spencer and GLE/ Morgenstern Price
which have been chosen due to their best results. The final results
showed a good adjustment of the strength parameterers adjusted to
the failures conditions observed in the footwall contact.
Keywords: Slope Stability, N4E Mine, Carajs Mineral Province
-
ix
LISTA DE FIGURAS
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-
xiv
LISTA DE TABELAS
Tabela 3.1 Principais Caractersticas dos Mtodos de Equilbrio
Limite considerados no rigorosos
(Campos, 1985 in Pacheco, 2005)
______________________________________________________ 41 Tabela
3.2 Principais Caractersticas dos Mtodos de Equilbrio Limite
considerados rigorosos (Campos, 1985 in Pacheco, 2005)
______________________________________________________ 42 Tabela
5.1 Coluna estratigrfica adaptada Macambira
(1990)._______________________________ 69 Tabela 7.1 Parmetros de
resistncia adotados pela FIGUEIREDO FERRAZ em 1991 e 1992 in
GEOESTRUTURAL, 2007).
__________________________________________________________ 94
Tabela 7.2 - Parmetros de resistncia (GOLDER, 1996).
___________________________________ 95 Tabela 7.3 - Parmetros de
resistncia utilizados para anlises de estabilidade (SBC, 2002).
________ 96 Tabela 7.4 Parmetros de resistncia adotados pela SBC
Consultoria em 2003. _________________ 97 Tabela 7.5 - Graus de
resistncia - Sociedade Internacional de Mecnica das rochas (ISRM,
1981). __ 101 Tabela 7.8 Quantitativos de ensaios realizados na 1a.
campanha. ____________________________ 103 Tabela 7.10 -
Quantitativo dos ensaios realizados na 2a. campanha.
___________________________ 105 Tabela 7.11 - Quantitativos totais
dos ensaios realizados em ambas as campanhas. _______________ 105
Tabela 7.12 Resumo dos parmetros de resistncia para a mfica
decomposta obtidos pelos ensaios geotcnicos.
______________________________________________________________________
114
Tabela 7.13 Resumo dos ensaios de resistncia para a hematita
frivel _______________________ 118
Tabela 7.14 Graus de alterao e resistncia (ISRM, 1981) para as
mficas decompostas. ________ 122 Tabela 7.15 Graus de alterao e
resistncias (ISRM, 1981) para as hematitas friveis. __________ 127
Tabela 8.1 Parmetros de resistncia calculados pelo Modelo de Barton
& Bandis e adotados nas
anlises de estabilidade.
_____________________________________________________________ 139
Tabela 8.2 Parmetros de resistncia obtidos por ensaios.
_________________________________ 140 Tabela 8.3 Parmetros de
resistncia de litotipos no ensaiados. ____________________________
140
Tabela 8.4 Resultados (FSs) para a retroanlise com critrio de
Mohr-Coulomb. _______________ 144 Tabela 8.5 Resultados (FS) para a
retroanlise com o critrio de Barton & Bandis para a ZC-MD. _
145 Tabela 8.6 Resultados (FSs) para a retroanlise com critrio de
Mohr-Coulomb. _______________ 151 Tabela 8.7 Resultados (FSs) para
a retroanlise com o critrio de Barton & Bandis para a ZC-MD.
152 Tabela 8.8 Resultados (FSs) da retroanlise para cada par de
parmetros de Mohr-Coulomb ajustados.
________________________________________________________________________________
156 Tabela 8.9 Resultados (FSs) e ajustes dos parmetros de Barton
& Bandis. ___________________ 158 Tabela 8.10 Resumo dos
Resultados das Retroanlises Realizadas. __________________________
160
-
xv
LISTA DE SMBOLOS, NOMENCLATURA E ABREVIAES
N = Norte
S = Sul E = Este ou Leste
W = Oeste ha = Hectare
Km = Quilmetro m = Metro
mm = Milmetro
MTon/ano = Milhes Tonelada por Ano c = Coeso ou Intercepto de
Coeso
= ngulo de Atrito UTM = Universal Transverso de Mercator JV =
ndice Volumtrico de Juntas JRC = Coeficiente de Rugosidades Juntas
(Joint Roughness Coefficient) JCS = Resistncia Compresso das
Paredes das Juntas (Joint Compressive Strength) i = ngulo da
Dilatncia; RQD =Rock Quality Designation ISRM = International
Society for Rock Mechanics
= Tenso Cisalhante;
= Tenso Normal;
Max = Resistncia Cisalhante de Pico
r = Resistncia Cisalhante Residual
r = ngulo de Atrito Residual 1 = Tenso Principal Maior na
Ruptura;
3 = Tenso Principal Menor na Ruptura;
c = Resistncia compresso uniaxial da rocha intacta;
m = Constante do material que controla a curva 1 versus 3;
s = Constante do material que controla a localizao no espao da
curva 1 versus 3;
-
xvi
A e B = Constantes do Material
1 = Tenso Efetiva Principal Maior na Ruptura.
3 = Tenso Efetiva Principal Menor na Ruptura.
mb = Constante do Material de Rocha Intacta. GSI = Geological
Stregth Index
jres = ngulo de Atrito Residual da Descontinuidade; cjeq= Coeso
da Descontinuidade ou Resistncia do Cisalhamento Derivado das
Rugosidades da Parede. H = Altura
NBR = Norma Brasileira
ABNT = Associao Brasileira de Normas Tcnicas ASTM = Norma da
Associao Internacional de Mecnica dos Solos CESP = Companhia
Energtica de So Paulo kgf/cm = Quilograma Fora por Centmetro
Quadrado kPa = Quilo Pascal int = ngulo de Atrito Interno ext =
ngulo de Atrito Externo %/min = Porcentagem por minuto cp = Corpo
de prova cm/h.= Centmetro por hora FS = Fator de Segurana; Sa =
Resistncia Disponivel Sm = Resistncia Mobilizada
U = Poro Presso
U = Fora da gua Superficial W = Peso da Fatia N = Fora/Tenso
Normal Efetiva Qe = Sobrecarga Externa Kv = Coeficiente Ssmico
Vertical Kh = Coeficiente Ssmico Horizontal ZL = Fora Interfatias
do Lado Esquerdo ZR = Foras Interfatias do Lado Direito
L = ngulo de inclinao das foras interfatias do lado esquerdo R =
ngulo de inclinao das foras interfatias do lado direito
-
xvii
hL = Altura do ponto de aplicao da fora ZL hr = Altura do ponto
de aplicao da fora ZR
= Inclinao da base da fatia
= Inclinao do topo da fatia h = Altura mdia da fatia hc = Altura
mdia do centride da fatia
F = (Esforos resistentes ao movimento) / (Esforos que tendem a
causar o movimento) NA = Nvel da Linha Fretica CPRM = Companhia de
Pesquisa de Recursos Minerais DOCEGEO = Rio Doce Geologia e Minerao
S.A. Ma = Milhes de Anos BIF = Formao Ferrfera Bandada Fe =
Ferro
Cu = Cobre Au = Ouro Mn = Mangans
Eh = Potencial de Oxi-reduo pH =Potencial Hidrogeninico MD =
Mfica decomposta MSD = Mfica semi-decomposta MS = Mfica S ZC-MD =
Zona de Cisalhamento HM ou HF = Hematita Frivel HD ou HC = Hematita
Compacta JP = Jaspelito
CQ = Canga Qumica CM = Canga de Minrio MBT = Minrio de Baixo
Teor HSB = Hematita Semi-Branda N-S = Norte/Sul WNW-ESE =
Norte/Noroeste Este/Sudeste E-W = Leste/Oeste NE-SW =
Sudeste/Noroeste DIP = Mergulho de um determinado plano
-
xviii
DIP DIRECTION = Direo do mergulho de um determinado plano Mf =
Mfica Min. = Minrio = Peso Especfico
= Menor ou igual
= Maior ou igual
= Somatrio
CUNat = Ensaio Triaxial no Drenado CUSat = Ensaio Triaxial no
Drenado CDSat = Ensaio Triaxial Drenado CIS = Cisalhamento Direto
Cis. dir. inund. = Cisalhamento Direto inundado i = ngulo de
Rugosidade = ngulo de Inclinao da Rgua = ngulo de Inclinao local do
Plano A = Amplitude da Rugosidade DMT = Distncia Mdia de
Transporte
-
xix
LISTA DE ANEXOS
ANEXO I: RESUMO DE PARAMETROS GEOTCNICOS PARA AS MINAS DE N4E E
N4WN_____________________________________________________________________I.1
ANEXO II: RELAO DE BLOCOS INDEFORMADOS DA PRIMEIRA CAMPANHA DE
ENSAIOS
GEOTCNICOS___________________________________________________II.1
ANEXO III: RELAO DE BLOCOS INDEFORMADOS DA SEGUNDA CAMPANHA DE
ENSAIOS
GEOTCNICOS__________________________________________________III.1
ANEXO IV: RESULTADO DA CONSOLIDAO DOS ENSAIOS DE LABORATRIO
REALIZADOS NAS DUAS CAMPNHAS PARA A MFICA DECOMPOSTA (BVP,
2009)____________________________________________________________________IV.1
ANEXO V: RESULTADO DA CONSOLIDAO DOS ENSAIOS DE LABORATRIO
REALIZADOS NAS DUAS CAMPNHAS PARA A HEMATITA FRIVEL (BVP,
2009)_____________________________________________________________________V.1
ANEXO VI: PIEZMETROS UTILIZADOS NA ANLISES DA RUPTURA
SUL_____________________________________________________________________VI.1
-
xx
NDICE
CAPTULO 1
_________________________________________________________ 1
INTRODUO___________________________________________________________
1
1.2 LOCALIZAO DA REA DE ESTUDO
_______________________________________ 2 1.3 PROPOSTA E OBJETIVOS
___________________________________________________ 3 1.4
CONTEXTUALIZAO DO TEMA PROPOSTO _________________________________ 4
1.5. BREVE HISTRICO DA PRODUO DE CARAJS
_____________________________ 5 1.6 ORGANIZAO DA DISSERTAO
__________________________________________ 6
CAPTULO 2
_________________________________________________________ 8
METODOLOGIA APLICADA ______________________________________________
8
CAPTULO 03
_______________________________________________________ 13
CONCEITOS GEOTCNICOS APLICADOS ________________________________
13
3.1 MODOS E MECANISMOS DE RUPTURA
______________________________________ 14 3.2. CRITRIOS PARA
DETERMINAO DE PARAMETROS DE RESISTNCIA _______ 17
3.2.1 CRITRIO DE MOHR COULOMB
________________________________________ 17 3.2.2 CRITRIO DE HOEK
& BROWN _________________________________________ 20 3.2.3
CRITRIO DE BARTON & CHOUBEY
____________________________________ 23 3.2.4 CRITRIO DE RUPTURA DE
PATTON ____________________________________ 24 3.2.5 CRITRIO DE
BARTON & BANDIS ______________________________________ 27
3.3 EFEITO DA RUGOSIDADE OU ONDULAO
_________________________________ 29 3.4. ENSAIOS DE LABORATRIO
______________________________________________ 31
3.4.1 ENSAIOS DE CARACTERIZAO
_______________________________________ 32 3.4.2 ENSAIOS DE
RESISTNCIA MECNICA _________________________________ 33
3.5 ANLISE E RETROANLISE DE RUPTURAS
_________________________________ 38 3.5.1 MTODO DO EQUILBRIO
LIMITE ______________________________________ 38 3.5.2 FATOR DE
SEGURANA NA ESTABILIDADE DE TALUDES ________________ 42
3.6. SOFTWARES UTILIZADOS
________________________________________________ 43 3.6.1 Slide
_________________________________________________________________
43 3.6.2 Dips
_________________________________________________________________
44 3.6.3 Rockdata
______________________________________________________________
44
3.7 EFEITO DA ESCALA
_______________________________________________________ 44 3.8.
CONDIES HIDROGEOLGICAS __________________________________________
46
CAPTULO 4
________________________________________________________ 50 EVENTOS
DE RUPTURA E MECANISMOS ASSOCIADOS ___________________ 50
CAPTULO 5
________________________________________________________ 66
GEOLOGIA DA PROVNCIA MINERAL DE CARAJS ______________________
66
5.1. GEOLOGIA ESTRUTURAL E ESTRATIGRAFIA
_______________________________ 66 5.2 EVOLUO ESTRUTURAL
_________________________________________________ 71 5.3 GENESE DOS
DEPSITOS DE FERRO ________________________________________ 73
CAPTULO 6
________________________________________________________ 75
CARACTERIZAO LITOESTRUTURAL DA MINA N4E ___________________ 75
6.1 MAPEAMENTO DA MINA N4E
______________________________________________ 75 6.1.1 UNIDADES
LITOESTRATIGRFICAS ____________________________________ 75
-
xxi
6.1.2 GEOLOGIA ESTRUTURAL
______________________________________________ 84 6.1.3 ARCABOUO
ESTRUTURAL E MODELO EVOLUTIVO _____________________ 91
CAPTULO 7
________________________________________________________ 92
CARACTERIZAO E PARAMETRIZAO GEOMECNICA DOS MACIOS DA MINA N4E
__________________________________________________________ 92
7.1 - HISTRICO DE PARMETROS GEOMECNICOS
____________________________ 93 7.2. LITOTIPOS ENSAIADOS E SUAS
CARACTERSTICAS TPICAS _________________ 99
7.2.1 Mfica Decomposta (MD)
________________________________________________ 99 7.2.2 Mfica de
Contato de Lapa (ZC) ___________________________________________ 99
7.2.3 Hematita Frivel (HF)
___________________________________________________ 99
7.3 ENSAIOS GEOTCNICOS REALIZADOS
____________________________________ 101 7.3.1 Programa
Experimental Desenvolvido na 1.a Campanha ________________________
102 7.3.2 Programa Desenvolvido na 2.a Campanha
___________________________________ 103
7.4 RESULTADOS DOS ENSAIOS GEOTCNICOS
________________________________ 107 7.4.1 Mfica Decomposta (MD) -
Ensaios Triaxiais ________________________________ 107 7.4.2. Mfica
Decomposta (MD) - Ensaios de Cisalhamento
Direto____________________ 111 7.4.3 Mfica Decomposta (MD) - Ensaio
Ring Shear _______________________________ 112 7.4.4 Hematita
Frivel (HF) Ensaios Triaxiais ___________________________________
114 7.4.5 Hematita Frivel (HF) Ensaios de Cisalhamento Direto
_______________________ 117
7.5 COMPORTAMENTOS DAS HEMATITAS NOS ENSAIOS TRIAXIAIS CDsat e
CUsat 119 7.6 ZONEAMENTO DAS VARIEDADES TIPOLGICAS DA MFICA
DECOMPOSTA E HEMATITA FRIVEL
________________________________________________________ 120
7.6.1 GRUPO DAS MFICAS
________________________________________________ 121 7.6.2 GRUPO
DAS HEMATITAS FRIVEIS ____________________________________ 127
7.7 CARACTERIZAO DAS AMPLITUDES DAS ONDULAES E NDICE DE
RUGOSIDADE
______________________________________________________________
130
CAPTULO 08
______________________________________________________ 134
RETROANLISES E AJUSTES DE PARMETROS DE RESISTNCIA _______ 134
8.1 PARMETROS DE RESISTNCIA
__________________________________________ 136 8.1.1 ESTIMATIVA DO
JRC _________________________________________________ 136 8.1.2
ESTIMATIVA DO JCS _________________________________________________
138
8.2 RESULTADOS DAS RETROANLISES
______________________________________ 139 8.2.1 RUPTURA TALUDE
CAVA CENTRAL ___________________________________ 141 8.2.2 RUPTURA
TALUDE SUDESTE _________________________________________ 146 8.2.3
RUPTURA TALUDE SUL ______________________________________________
153
8.3 SINTESE DOS RESULTADOS DAS RETROANLISES
_________________________ 159 CAPTULO 09
______________________________________________________ 162
CONCLUSES E SUGESTES PARA PESQUISAS FUTURAS _______________ 162
REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ____________________________________
168
-
1
CAPTULO 1
INTRODUO
A Provncia Mineral de Carajs foi descoberta na dcada de 60, pela
equipe da Companhia Meridional de Minerao, subsidiria de uma
empresa Norte Americana. Suas atividades
tiveram incio na dcada de 80, mais precisamente no ano de 1985,
e vem aumentando
consideravelmente at os dias atuais sendo uma das unidades mais
importantes da VALE
S/A, onde possui uma crescente participao no mercado mundial.
composta por diversos corpos mineralizados situados em trs Serras
principais, assim denominadas: Serra Norte,
Serra Sul e Serra Leste. A Serra Norte, foco deste estudo, contm
nove desses corpos
nomeados de N1 a N9.
Na presente data, as atividades de extrao mineral esto
concentradas na Serra Norte, nos
corpos de N4, subdividido nas minas de N4E e N4WN, e N5
subdividido nas minas de
N5W e N5E. A rea de estudo para a elaborao do presente trabalho
est concentrada na
mina de N4E em funo de ser a principal mina da Provncia Mineral
de Carajs e a que apresenta um maior nmero de eventos de ruptura de
taludes ao longo de suas atividades.
Essa mina composta por litotipos com grau de alterao e
resistncia variadas, definindo
macios heterogneos, anisotrpicos e com diferentes respostas em
relao resistncia ao
cisalhamento.
Eventos de rupturas demonstraram um forte condicionamento
geolgico-estrutural,
principalmente nas rochas metabsicas de lapa (footwall),
caracterizando rupturas planares e plano-circulares de at seis
bancos de 15m de altura e ngulos operacionais
subverticalizados de face de bancada (entre 60 a 80), e ngulo
geral variando em funo do macio e geometria da cava. Esses fatos
demonstraram a necessidade de um melhor
entendimento do arcabouo estrutural e dos condicionantes de
rupturas. Com esse foco
realizou-se uma campanha de investigao geolgico-geotcnica por
meio de mapeamento
-
2
litoestrutural e geomecnico na escala 1:2.000 e coleta de
amostras deformadas e
indeformadas com o objetivo de realizar ensaios laboratoriais
para definir os parmetros geotcnicos com o intuito de caracterizar
e parametrizar os litotipos ensaiados. A partir
dessas informaes dividiram-se os litotipos pela resistncia e
granulometria, por tipologias
de contato e tipologia das superfcies de ruptura.
A atividade mineral realizada pelo mtodo de escavao a cu aberto,
mecanizado e de
grande porte. A mina de N4E a maior ou uma das maiores minas a
cu aberto escavadas
em solo saproltico no Brasil e/ou do Mundo. Apresenta hoje uma
rea de lavra de aproximadamente 525 ha com taludes alcanando 200 m
de altura com 4,1 Km de extenso,
e a previso do pit final alcanar taludes em torno de 400 m de
altura. Obras desse porte
requerem um seqenciamento criterioso das escavaes e um minucioso
estudo
geomecnico dos macios rochosos incluindo mapeamentos
geolgico-estruturais e estudos
hidrogeolgicos. No caso abordado, a segurana operacional est
relacionada definio
geomtrica dos ngulos dos taludes dos taludes operacionais e
finais, respeitando um nvel
de segurana para execuo dos trabalhos.
A definio dos parmetros geomecnicos adotados nos planos de
lavra, bem como a
definio de uma setorizao geotcnica com ngulos praticveis esto
diretamente
associados explotabilidade da jazida. Um dos principais desafios
da geotecnia e da engenharia em um empreendimento minerrio otimizar
o custo do projeto e oferecer maior segurana para os operrios na
sua execuo.
1.2 LOCALIZAO DA REA DE ESTUDO
A Provncia Mineral de Carajs, onde est inserida a mina de N4E,
objeto deste estudo, localiza-se na poro centro sul do Estado do
Par, no municpio de Parauapebas. Os
corpos de minrio esto inseridos nos plats da Serra dos Carajs.
(Figura 1.1).
-
3
Figura 1.1: Localizao das minas de ferro do Complexo Minerador
de Carajs.
1.3 PROPOSTA E OBJETIVOS
Os objetivos desta dissertao foram atingidos por meio de um
minucioso estudo geolgico-estrutural e geomecnico dos litotipos
presentes na mina de N4E e referem-se a:
caracterizao os litotipos presentes bem como seus padres de
resistncia;
entendendimento dos mecanismos de ruptura no contato de base
(footwall);
validao os dados de resistncias dos litotipos ensaiados da
escala de laboratrio
para escala de mina;
realizao de retroanlises de rupturas de grande magnitude
ocorridos nessa mina e
aferir os parmetros de resistncia;
Ncleo Urbano de Carajs
Complexo Minerador de Carajs
N4WN N4E
N5W
N5E N4WS
-
4
calibrao do modelo geomecnico por meio de sees 2D.
Com isso proporcionar maior confiabilidade para os projetos de
lavra seqenciais e finais, visando estabilidade e a segurana dos
taludes.
1.4 CONTEXTUALIZAO DO TEMA PROPOSTO
A partir de 2003, as minas de ferro de Carajs demonstraram um
histrico de rupturas associadas aos condicionantes geolgicos e
estruturais e alta produtividade operacional.
Verificaram-se vrias rupturas de taludes de portes
significativos, por vezes com
mobilizao de pessoal e equipamento para as obras de
retaludamento. As principais
rupturas ocorreram nas minas de N4E e N4WN, sendo a grande
maioria condicionada pelo
contato do pacote de minrio com a rocha encaixante de lapa
(footwall), o qual se encontra cisalhado e com elevado grau de
alterao, com presena freqente de sills de rocha
metabsica alterada contidos no macio de hematita prxima a esse
contato. Escavaes no
p desses taludes aumentando o ngulo inter-rampas, associados aos
condicionantes
estruturais e presena de gua configuram-se como os principais
fatores que deflagraram
rupturas classificadas como dos tipos planar e plano
circular.
No perodo anterior a 2003 realizaram-se diversos trabalhos
geotcnicos com enfoque nesse
problema, porm configuraram-se como trabalhos isolados e sem
continuidade. A partir dai
desenvolveram-se estudos de dimensionamento e estabilidade para
os taludes das diversas
minas de Carajs.
Esses trabalhos foram desenvolvidos por meio de vasta pesquisa
bibliogrfica,
mapeamentos e descries de sondagens que, de certa forma,
agruparam e sintetizaram os
trabalhos realizados at essa data. Porm, constatou-se a falta de
informaes fundamentais,
principalmente sobre as estruturas geolgicas no macio metabsico
encaixante que se
apresenta extremamente cisalhado e com graus de alterao variando
de rocha s a muito
alterada.
-
5
1.5. BREVE HISTRICO DA PRODUO DE CARAJS
No ano de 1985, quando a VALE iniciou suas atividades, a produo
de minrio era de 0.9
MTon/ano. Em 2009 essa produo atingiu 88,3 MTon/ano pelas minas
de N4WN, N4E e
N5W (Figura 1.2), para o ano de 2010 ha uma previso de 108
MTon/Ano.
Figura 1.2 - Histograma representando a produo anual do Site de
Carajs (VALE, 2009).
Os teores do minrio produzido em Carajs atingem a faixa de 63 a
65% de ferro, sendo divididos em Pellet Feed, Sinter Feed e
Granulado, como se pode observar na Figura 1.3. O
mercado interno o grande absorvedor do granulado, sendo que o
Sinter Feed e Pellet Feed
so enviados ao mercado externo (Figura 1.3).
Os principais clientes da VALE S/A so a sia principalmente
representada pela China, Japo e Coria e pela Europa representada
pela Alemanha, Frana e Reino Unido.
-
6
Figura 1.3 Principais produtos explorados e comercializados nas
minas de ferro de
Carajs (VALE, 2009).
1.6 ORGANIZAO DA DISSERTAO
Apresentam-se os tpicos abordados no presente trabalho e sua
distribuio em nove
captulos conforme apresentada a seguir;
Captulo 1: Introduo captulo introdutrio apresenta os objetivos
do presente trabalho, localizao da rea de estudo, contextualizao do
tema proposto, breve
histrico de produo e importncia do site de Carajs e por fim a
organizao da dissertao;
Captulo 2: Metodologia Aplicada - apresenta de forma
simplificada toda a metodologia utilizada para a elaborao desta
dissertao desde a reviso
bibliogrfica e culminando na realizao das retroanlises de
rupturas e
apresentao das concluses dos resultados;
-
7
Captulo 3: Conceitos Geotcnicos Aplicados - apresenta a reviso
bibliogrfica com o intuito de oferecer embasamento terico aos temas
abordados;
Captulo 4: Eventos e Mecanismos de Rupturas Associados -
apresenta um histrico dos eventos e mecanismos de rupturas que
ocorreram na mina N4E desde
o ano de 2001, com um breve resumo dos padres de rupturas e como
estes eventos
foram tratados na poca da ocorrncia, levando em considerao
suas
particularidade e similaridades;
Captulo 5: Geologia da Provncia Mineral de Carajs apresenta a
geologia estrutural, estratigrafia e evoluo tectnica do Grupo Gro
Par e suas respectivas
Formaes Geolgicas, com o intuito de contextualizar a geologia
regional da mina
em questo;
Captulo 6: Caracterizao Litoestrutural da Mina de N4E -
apresenta o modelo litoestrutural da mina de N4E obtido pelo
mapeamento geolgico-estrutural na
escala 1:2.000;
Captulo 7: Caracterizao e Parametrizao Geomecnica dos Macios da
Mina de N4E - apresenta um histrico de ensaios geotcnicos
anteriores a 2003 e
anlise dos resultados das campanhas de 2003-2006 e 2007-2009
realizados por
empresas de consultoria e pela prpria VALE S/A.
Captulo 8: Retroanlises e Ajustes de Parmetros de Resistncia
apresenta os resultados das retroanlises com os parmetros de
resistncia obtidos pelos ensaios
e os ajustado por elas, realizando-se a comparao com parmetros
anteriormente utilizados pela VALE S/A.
Captulo 9: Concluses e Sugestes para Pesquisas Futuras -
apresenta a discusso, anlise e concluses dos resultados, comparaes
de dados obtidos com
resultados de estudos anteriores e sugestes para trabalhos
futuros.
-
8
CAPTULO 2
METODOLOGIA APLICADA
A elaborao do presente trabalho foi sistematizada por meio de
diversas etapas que
compreenderam basicamente: reviso bibliogrfica, campanha de
ensaios geotcnicos em
laboratrio, avaliao dos eventos e mecanismos de rupturas
ocorridos na mina N4E,
mapeamento geolgico-estrutural e geomecnico, interpretao e
anlise dos ensaios
geotcnicos, refinamento do zoneamento geomecnico, ajustes e
clculos de parmetros geomecnicos e retroanlises de rupturas para
aferio de parmetros de resistncia e
calibrao do modelo geomecnico.
Nessa sistematizao consideraram-se proposies de consultoria
internacional e de
empresas de consultoria nacional, bem como as necessidades e
demandas da mina.
Descreve-se a seguir, de forma simplificada, cada uma das fases
de estudos que propiciaram
a elaborao desta dissertao.
1) Reviso Bibliogrfica: nessa fase realizaram-se pesquisas
voltadas aos principais conceitos sobre mecanismos e critrios de
rupturas (Mohr-Coulomb, Hoek & Brown, Barton & Choubey,
Patton, Barton & Bandis), efeito de rugosidades e ondulaes em
cisalhamentos, mtodos de anlises de ruptura de taludes, efeito
de
escala, entre outros, com o intuito de fornecer uma base terica
aos objetivos propostos.
Foram tambm consultados diversos trabalhos realizados pela VALE
S/A, empresas
de consultoria e consultores, tais como: Figueiredo Ferraz, S
Brito Associados
BVP Engenharia, Golder Associates, Peter Stacey etc, onde foram
pesquisados
tpicos como estimativas de parmetros geomecnicos (c e ) dos
litotipos de Carajs, presena de gua, caracterizao de zonas de
contato entre o macio de
-
9
minrio e o macio encaixante composto por rochas metabsicas em
variados graus
de resistncia e alterao, retroanlises e setores com risco
geotcnico.
2) Campanhas de Amostragem e Ensaios Geotcnicos: essa etapa de
trabalho compreendeu duas campanhas de coleta de amostras
(deformadas e indeformadas) e de realizao de ensaios geotcnicos de
laboratrio. A primeira foi realizada no
perodo de 2003 a 2006 e aps as anlises dos dados obtidos,
constataram-se
lacunas e a necessidade de uma nova campanha a fim de realizar
novos ensaios para
complementar esta campanha. Deste modo, realizou-se no perodo
entre 2007 a
2009 uma segunda campanha de amostragem e ensaios
geotcnicos.
Em ambas as campanhas realizaram-se ensaios de caracterizao
(Granulometria, Limite de Atteberg, Densidade e/ou Peso Especfico e
Compactao) e ensaios de resistncia geomecnica (Cisalhamento Direto,
Triaxiais e Ring Shear). Os Anexos II e III apresentam as tabelas
de quantitativo de amostras, as profundidades
coletadas e fotografias dos blocos amostrados. O Anexo IV e V
apresenta tabelas
resumo dos ensaios e de seus resultados das duas campanhas
realizadas;
3) Avaliao dos Eventos de Ruptura e seus mecanismos na nina N4E:
essa etapa compreendeu o resgate de informaes sobre os eventos de
rupturas de taludes e
estudos sobre seus mecanismos desde o ano de 2001, com o intuito
de auxiliar as
retroanlises que constituem o principal objetivo dessa
dissertao;
4) Mapeamento Litoestrutural e Geomecnico: fez parte da
metodologia empregada nos estudos a realizao uma campanha de
mapeamento geolgico-estrutural e
geomecnico em escala de detalhe (1:2.000) em que se levantou um
total de 4.226 pontos na mina N4E (Figura 2.1). Estes pontos foram
distribudos na cava com espaamento de vinte em vinte metros,
resultando na configurao de mapas com
representaes detalhadas das variaes litolgicas, estruturais e
geomecnicas.
Cada ponto foi cadastrado por meio das coordenadas UTM, onde
foram registradas
caractersticas como: litotipo, tipo de estrutura, atitudes, grau
de alterao, grau de
-
10
resistncia/consistncia, grau de fraturamento, tipo de
descontinuidades,
espaamento, abertura, rugosidade, material de preenchimento, JV
(ndice volumtrico de juntas) e RQD (Rock Quality Designation).
Para a definio dos domnios estruturais elaborou-se o mapa de
forma estrutural
considerando-se os dados de estruturas como foliaes e zonas de
cisalhamento e
para a elaborao de estereogramas utilizou-se o software Dips da
Rocsciencie. Utilizaram-se como apoio ao mapeamento e s
interpretaes das sees geolgico-
geotcnicas, informaes de sondagens geotcnicas, piezmetros e o
modelo
geolgico de longo prazo ano base 2008;
5) Interpretao dos Ensaios Geotcnicos: com base nos resultados
obtidos nas duas campanhas de ensaios geotcnicos, no mapeamento e
nos histricos de rupturas, a
anlise dos resultados focou-se nos principais litotipos,
definidos pela rocha mfica
decomposta de contato de base (footwall) e pela hematita frivel,
baseando-se nas envoltrias de rupturas para a definio dos parmetros
de resistncia (c e ) representativos. Os parmetros do contato
cisalhado (footwall) foram determinados pelos ensaios de
cisalhamento Ring Shear;
6) Refinamento do Zoneamento Geomecnico: de posse dos dados
referentes aos parmetros de resistncia obtidos em laboratrio
realizou-se o refinamento do
zoneamento geomecnico dos macios de hematita frivel e mfica
decomposta na
mina N4E pela identificao e localizao das classes desses
litotipos obtidas nos
ensaios. Para isso utilizou-se a tabela da ISRM (1981) sobre
resistncias e adaptou-se aos litotipos ensaiados.
7) Ajustes e Clculos de Parmetros Geomecnicos: nessa etapa foram
levantadas as amplitudes das ondulaes e os ndices de rugosidades
das superfcies de
escorregamento, principalmente da zona de contato cisalhado
entre o pacote de
minrio frivel e da rocha metabsica de lapa (footwall) e
calculado os valores de JRC (Coeficiente de Rugosidade da Junta),
utilizando-se o mtodo de Barton e
-
11
Bandis (1982), e o ndice JCS (Resistncia Compresso das Paredes
das Juntas), pela equao de Barton (1973);
8) Retroanlises: para a realizao das retroanlises foram
escolhidas trs reas no contato de base (footwall) onde se
observaram trs rupturas denominadas: a) Ruptura Cava Central, b)
Ruptura Talude Sudeste e c) Ruptura Talude Sul. As sees foram
confeccionadas utilizando-se os softwares Vulcan 5.0 e AutoCAD
2007 e exportadas para o software slide da Rocscience
considerando-se os
parmetros determinados pelos ensaios de laboratrio para a mfica
decomposta,
mfica cisalhada de contato e hematita frivel.
Para avaliao das sees de retroanlise foram utilizados o critrio
de Mohr-
Coulomb onde foram considerados valores de c e e o critrio de
Barton & Bandis, este considerando os valores de JRC e JCS
calculados.
-
12
Figura 2.1- Mapa dos Pontos gerados no mapeamento da mina de N4E
(4.226 pontos).
-
13
CAPTULO 03
CONCEITOS GEOTCNICOS APLICADOS
Taludes de minas a cu aberto so definidos em funo das orientaes
dos corpos
mineralizados, das caractersticas geolgicas da rocha encaixante,
do tipo de equipamentos
e logstica de transporte e principalmente das propriedades
geomecnicas do macio. Porm
o fator economicidade sempre o mais considerado, implicando nos
dias atuais em cavas
com taludes operacionais e finais cada vez mais ngremes. Sjoberg
(1999) aborda o assunto quando tece comentrios sobre o risco de
rupturas em setores controlados por
descontinuidades de grande porte como, por exemplo, falhas
geolgicas ou zonas de
cisalhamento, sua implicao nas operaes e na validao da geometria
do pit final, o que
poder impor restries e alteraes na economicidade da mina.
De acordo com Stacey (1968) e Sjoberg (1996) in Zea 2004, os
principais fatores que controlam a estabilidade de taludes nas
mineraes a cu aberto so (Figura 3.1):
A estrutura do macio rochoso: litotipos presentes, rocha
intacta, descontinuidades
e zonas de cisalhamento;
As tenses in situ e induzidas presentes no macio, sendo que
essas ltimas
decorrem dos avanos das escavaes;
A resistncia do macio rochoso, no que se refere a rocha intacta
e descontinuidades
presentes;
As condies hidrogeolgicas, ou seja, variao da linha fretica, sua
transmissividade e armazenamento, bem como o comportamento do
aqfero, no
que se refere presena ou no de aquitardos;
A geometria da cava, considerando-se a inclinao dos ngulos dos
taludes e
curvaturas, principalmente as convexidades;
As condies ssmicas oriundas de desmontes e/ou eventos
ssmicos;
-
14
Os fatores climticos, ou seja, em que regio a respectiva cava se
encontra; e O fator tempo.
Figura 3.1 - Figura esquemtica representando os principais
fatores que controlam a
estabilidade de taludes nas mineraes a cu aberto (Zea,
2004).
3.1 MODOS E MECANISMOS DE RUPTURA
Segundo Bieniawski (1967 in Zea 2004) o modo de ruptura definido
pela descrio dos aspectos ou das formas geomtricas formadas no
evento. J o mecanismo de ruptura
definido pelos processos e seus componentes fsicos durante a
movimentao do material,
tendo-se como resultado a deflagrao da ruptura .
As rupturas podem ocorrer condicionadas estruturalmente ou no
(Figura 3.2). No primeiro caso, as rupturas so estudadas pelo mtodo
cinemtico com auxlio de projees estereogrficas, levando-se
considerao a orientao das descontinuidades analisadas em
relao geometria do talude, podendo-se observar trs tipos bsicos
de ruptura: rupturas
planares, em cunha e os tombamentos (toppling). No segundo caso
ou onde no h um controle estrutural ou um padro estrutural definido
ocorrem s rupturas circulares e no
circulares tpicas de macios compostos por solos e rochas
alteradas. Hoek e Bray (1981)
-
15
apontam que rupturas circulares ou rotacionais ocorrem em
taludes de rocha sem padres
estruturais definidos ou em macios com alto grau de
fraturamento. Isto ocorre quando os
fragmentos da massa rochosa encontram-se desagregados e so muito
pequenos em relao
altura dos taludes, Sjoberg (1999). A Figura 3.3 mostra alguns
tipos de rupturas combinadas, que sero descritos nos captulos
seguintes.
Figura 3.2 - Mecanismos de ruptura mais freqente e suas
representaes estereogrficas
(Hoek & Bray, 1973).
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16
Figura 3.3 - Rupturas rotacionais/circulares e rupturas
circulares e planares combinadas
(Sjoberg, 1996 in Ferreira, 1998).
Os mecanismos de ruptura verificados com maior freqncia face s
condies geolgicas
estruturais da mina N4E so: rupturas planares, circulares ou
plano circulares. Observam-se
ainda, porm com menor freqncia: quedas de blocos e tombamentos
decorrentes do
desmonte de rocha ou por questes operacionais.
Vieira Costa (2009) afirma que para ocorrer uma ruptura
necessrio que a resistncia mdia ao cisalhamento do solo e/ou da
rocha, bem como as tenses mdias da superfcie de
cisalhamento tenham sofrido um decrscimo, que pode ocorrer de
forma abrupta ou lenta
com uma deformao progressiva.
-
17
3.2. CRITRIOS PARA DETERMINAO DE PARAMETROS DE RESISTNCIA
Neste item apresentam-se, de forma sucinta, os critrios de
rupturas considerados e seus
conceitos para o embasamento terico aos captulos seguintes.
3.2.1 CRITRIO DE MOHR COULOMB
Esse critrio o mais simples, conhecido e normalmente aplicado
para solos, rochas
intactas e descontinuidades planares que no se apresentam
irregularidades ou asperezas.
Segundo Brady & Brown (1985 in Lopes, 2006), esse critrio
fornece boa representao das condies de resistncia ao cisalhamento
de descontinuidades presentes na rocha.
Segundo Vieira Costa (2009), comenta que a resistncia ao
cisalhamento definida pelo valor da coeso e do ngulo de atrito em
funo da tenso cisalhante () e tenso normal () atuantes no plano de
ruptura, representado pelo ponto de tangncia de uma reta ao
crculo
de Mohr, definindo a envoltria de ruptura ou envoltria de
Coulomb.
Lopes (2006) comenta que a resistncia ao cisalhamento de solos e
rochas o resultado de duas parcelas, uma representada pela coeso ou
intercepto de coeso e a outra parcela
representada pelo ngulo de atrito do material, este por sua vez
depende da tenso atuante
no plano em que a resistncia ao cisalhamento ocorre.
Pode ser representado pela seguinte expresso:
= c + tg (3.1) Onde se tem:
= Tenso Cisalhante;
c = Coeso ou intercepto de Coeso;
= Tenso Normal;
= ngulo de Atrito.
-
18
Segundo Lopes (2006), a ruptura por cisalhamento de um
determinado material ocorre quando a tenso cisalhante aplicada,
subtrada do ngulo de atrito e multiplicada pela tenso
normal no plano de ruptura, se torna igual coeso do material
definida pelo critrio de
Mohr Coulomb, este critrio representa tambm a resistncia
residual de um determinado
material quando se obtm a resistncia mnima ps pico de ruptura,
onde a coeso tende a
zero e o ngulo de atrito residual ( r) poder variar entre zero e
o ngulo de atrito de pico p (Figura 3.4).
Figura 3.4 - Critrio de resistncia de pico e residual de Coulomb
no espao de Mohr
( x ).
Vieira Costa (2009) comenta que para pequenos deslocamentos a
amostra se comporta de modo elstico e a tenso cisalhante linear.
Porm medida que as foras resistentes ao
movimento so superadas pela tenso cisalhante, a curva torna-se
no-linear e alcana um
ponto de mximo chamado Max e, quando isto ocorre, a tenso
cisalhante necessria para
causar um deslocamento , decresce rapidamente at um valor se
igualar a constante. Pode-se chamar de tenso cisalhante residual r.
(Figura 3.5).
-
19
Figura 3.5 - Curva tenso cisalhante versus deslocamento para um
ensaio de
cisalhamento direto (Hoek, 2002).
O valor de resistncia ao cisalhamento definido pela Lei de
Coulomb expresso pelo
grfico onde de Max ou r so lanados para os diversos valores de
tenses normais
constantes em que foram realizados os ensaios, onde o ngulo de
atrito definido pela
inclinao da reta e a coeso do material pelo intercepto que esta
reta faz com o eixo. Esse
conceito representado matematicamente pelas seguintes
equaes:
Max = c + tg (3.2)
r = tgr (3.3) Onde se tem:
Max = resistncia cisalhante de pico
r = resistncia cisalhante residual
c = coeso do material
= tenso normal
= ngulo de atrito de pico r = ngulo de atrito residual
Resistncia de pico
Resistncia Residual
Tenso Normal Te
ns
o Ci
salh
ante
Deslocamento
Resistncia de pico
Resistncia Residual Ten
so Ci
salh
ante
Tenso de Deslocamento
Tenso Cisalhante
Tenso Normal
-
20
3.2.2 CRITRIO DE HOEK & BROWN
No havendo uma linearidade no grfico ( x ) segundo o critrio de
Mohr-Coulomb, Hoek & Brown (1980) sugeriram uma curva 1 x 3
para a ruptura de macios rochosos e rocha intacta (Figura 3.6),
definida pelas seguintes equaes:
1 3 32
= + +m sc c
(3.4)
= Ac(/c + t/c)B (3.5)
onde:
1 = Tenso principal maior na ruptura;
3 = Tenso principal menor na ruptura;
c = Resistncia compresso uniaxial da rocha intacta;
m = Constante do material que controla a curva 1 versus 3;
s = Constante do material que controla a localizao no espao da
curva 1 versus 3;
= Resistncia ao cisalhamento sob dada condio de tenso normal
;
A e B = Constantes do material
Para as equaes acima mencionadas, os valores de 1 e 3 so as
tenses aplicadas,
responsveis pela ruptura nos ensaios triaxiais. Esta equao gera
uma reta quando se usa
os valores de 3 versus (1 - 3) e a partir de regresso linear
pode-se obter os parmetros de resistncia m e s de Hoek & Brown.
Para rochas intactas adota-se s = 1, obtendo-se os
valores de m e c atravs de ensaios de laboratrio. Para macios
rochosos fraturados o
valor de c deve ser determinado em laboratrio por meio do ensaio
de compresso uniaxial
(3 = 0) ou por correlaes utilizando ensaios tais como o de carga
puntiforme ou o de martelo de Schmidt. Os valores de m e s para
macios rochosos serem obtidos a partir de
classificaes geomecnicas (Vieira Costa, 2009).
-
21
Figura 3.6 - Representao Grfica do Critrio de Hoek & Brown
nos espaos de Mohr
Coulomb e das principais tenses (Vargas Jr. et al., 1992 in
Penido, 2006).
A questo do efeito escala est diretamente relacionado ao mtodo.
Freqentemente no
h como transportar os dados da escala de laboratrio para um
macio rochoso por no
haver representatividade, ocorrendo assim problemas de correlao
dos parmetros de
resistncia. Quando isto ocorre, o mtodo de Hoek & Brown
prope que os parmetros de resistncia sejam obtidos por meio de
classificaes geomecnicas.
Para o macio pouco fraturado ou quando o mesmo pode ser
classificado como rocha s ou
intacta, o critrio proposto expresso da seguinte forma:
1 = 3 + c (mb 3/ c + 1) (3.5)
-
22
onde:
1 = Tenso efetiva principal maior na ruptura.
3 = Tenso efetiva principal menor na ruptura.
c = Resistncia compresso uniaxial da rocha intacta.
mb = Constante do material de rocha intacta.
Hoek et al. (1995) apresentam consideraes para o clculo de c do
macio utilizando ensaios de compresso uniaxial simples de menor
dimenso, e como alternativa para a sua
estimativa, apresentam tabelas desenvolvidas com base em ensaios
triaxiais em rocha
intacta realizados por Doruk em 1991, Hoek et al. em 1992 e Hoek
em 1993 (Hoek et al., 1995).
O critrio de ruptura de Hoek & Brown para macios rochosos
dado pela seguinte
equao:
1 33
' '
'
= +
+
c b
c
a
m s (3.6)
onde:
mb = valor da constante m para o macio rochoso;
s e a = constantes que esto relacionadas com as caractersticas
do macio rochoso.
Para macios de boa qualidade, pouco alterados, com blocos
angulares e descontinuidades
fechadas assumido o valor igual a 0,5 (a = 0,5). No caso de
macios de qualidade ruim, muito alterados ou intemperizados,
descontinuidades cisalhadas, a resistncia trao
zero s = 0. Para o clculo das constantes mb, a, e s, no caso de
macio rochosos, se utilizam
os sistemas de classificao RMR de Bieniawski (1976) e o sistema
Q de Barton (1974), com algumas variaes. Hoek (1994) definiu o
ndice de Resistncia Geolgica atravs do sistema (GSI). Sua aplicao
est baseada na relao mb/mi onde mi uma constante para a rocha
intacta definida a partir da tabela de Hoek et al (1995), onde a
constante m controla a forma da curva 1 x 3.
-
23
3.2.3 CRITRIO DE BARTON & CHOUBEY
Esse critrio aplicado para macios fraturados onde as
descontinuidades tm grande
relevncia no processo de deformao. Aps diversas tentativas de
representar um
comportamento mais realista da resistncia ao cisalhamento de
descontinuidades rugosas
Patton, (1966), Ladanyi & Archambault (1972) e Barton &
Choubey (1977) propuseram a seguinte equao semi-emprica, baseada em
observaes e ensaios realizados em
superfcies artificialmente rugosas:
= tg [ +JRC log (JCS / )] (3.7)
onde:
= resistncia ao cisalhamento
= tenso normal
JCS = (Joint Compressive Strength) resistncia compresso uniaxial
da rocha intacta adjacente descontinuidade =ngulo de atrito bsico
da rocha intacta JRC = ( Joint Roughness Coefficient) coeficiente
de rugosidade da junta.
Vieira Costa (2009) comenta que os valores do coeficiente JRC
podem ser determinados com a ajuda da tabela de Barton &
Choubey (1977), onde se apresenta a escala natural e os perfis de
rugosidades. Barton & Bandis (1990) sugerem que o JRC pode ser
estimado com um simples ensaio de escorregamento numa superfcie
inclinada (tilt test). Esta superfcie inclinada at o bloco de cima
escorregar, sendo que o valor de JRC se relaciona com ngulo
de inclinao pela relao:
JRCJCS
b
n
=
log10
(3.8)
-
24
onde:
b ngulo de atrito bsico = ngulo de inclinao
= resistncia ao cisalhamento
= tenso normal
JCS = (Joint Compressive Strength) resistncia compresso uniaxial
da rocha intacta adjacente descontinuidade JRC = ( Joint Roughness
Coefficient) coeficiente de rugosidade da junta.
Originalmente, os ensaios de Barton foram realizados com esforos
normais extremamente
pequenos, o que torna sua equao mais apropriada para valores de
/JCS entre 0,01 e 0,3.
Como a maior parte dos esforos normais existentes em taludes
rochosos se encontra neste
intervalo, a equao de grande ajuda em suas anlises da
estabilidade.
3.2.4 CRITRIO DE RUPTURA DE PATTON
Definido por Patton (1966), esse critrio demonstra a influncia
das ondulaes em superfcies de descontinuidades por meio de
experimentos em que cisalhamentos foram
realizados em amostras com rugosidades determinadas (Figura
3.7).
-
25
2
2
2
1
1
n
s
i
i = tan-1(n /s )
Dilation
Dilation/Shearing
She
ar st
ress
,
Normal stress, n1 2
b + ijres
2
2
22
2
2
1
1
n
s
i
i = tan-1(n /s )
Dilation
Dilation/Shearing
She
ar st
ress
,
Normal stress, n1 2
b + ijres
Figura 3.7 Efeito da superfcie rugosa em relao tenso normal e
gerao dos
ngulos de atrito (Wylie, 1992).
Segundo Lopes (2006), possvel determinar a condio ao
cisalhamento por meio das asperezas pela equao proposta por Goodman
(1989) e expressa a seguir:
= tg(b+i) (3.10)
Essa equao expressa para baixos nveis de tenso normal e o
deslocamento cisalhante
funo do deslizamento ao longo de uma superfcie inclinada (Figura
3.8).
Para altos nveis de tenso a resistncia do material intacto ser
excedida e as asperezas
tendero a se quebrar. A ruptura gera um intercepto de resistncia
ao cisalhamento c e um
novo ngulo de atrito (r), em funo do deslizamento atravs de uma
superfcie rochosa (Goodman, 1989 in Lopes, 2006).
= c+tg() (3.11)
Tenso Normal
Ten
so
Ci
salh
ante
Dilatncia
Dilatncia/Cisalhamento
-
26
Onde temos que:
b = ngulo de atrito bsico da superfcie; i = ngulo da
dilatncia;
r = ngulo de atrito residual c = coeso
b
jres
cjeq
i
ny
b
jres
cjeq
i
ny
Figura 3.8 - Lei de Patton (1966) para a resistncia ao
cisalhamento de descontinuidade.
Patton (1966) demonstrou por meio de estudos de casos que a
rugosidade das paredes de descontinuidades aumenta o ngulo de
atrito e, baseado em estudos experimentais de
cisalhamento de juntas, props o critrio biliniar de
descontinuidades (Figura 3.8) que pode ser expresso pelas equaes
abaixo:
max = n tan (b + i), onde: n (3.12)
max = cjeq + n tan (jres), onde: n > ny (3.13)
-
27
Onde:
b = ngulo de atrito bsico de uma superfcie plana; i = ngulo de
inclinao da superfcie de ruptura em relao fora de cisalhamento
ou
ngulo da rugosidade;
jres = ngulo de atrito residual da descontinuidade; ny = tenso
normal efetiva
cjeq= coeso da descontinuidade ou resistncia do cisalhamento
derivado das rugosidades da
parede.
3.2.5 CRITRIO DE BARTON & BANDIS
Segundo Lopes 2006, Barton (1973 apud in Hoek & Bray, 1981)
props uma linha de abordagem para o problema de determinao da
resistncia ao cisalhamento de juntas rugosas por meio de uma equao
emprica para resistncia ao cisalhamento de pico de
juntas, expressa pela seguinte equao:
= tg [JRC log10 (JCS / ) + ] (3.14)
onde:
= resistncia ao cisalhamento
= tenso normal
JCS = (Joint Compressive Strength) resistncia compresso uniaxial
da rocha intacta adjacente descontinuidade b =ngulo de atrito bsico
da rocha intacta JRC = ( Joint Roughness Coefficient) coeficiente
de rugosidade da junta.
Lopes (2006) comenta que a razo JCS/ e JRC combinam-se para
formar a componente de rugosidade i, onde a resistncia total ao
atrito dada por b+i (Brady & Brown, 1985 in Lopes, 2006).
-
28
Giani (1992 in Lopes, 2006) afirma que a resistncia ao
cisalhamento de descontinuidades dada por trs componentes:
Componente relacionada ao atrito (b); Componente geomtrica
controlada pela rugosidade (JRC); Componente de ruptura das
asperezas controlada pela razo (JCS / ).
Segundo Barton & Choubey (1977 in Lopes, 2006) uma junta
rugosa alterada, ou seja, com JRC alto e JCS baixo, sofre maior
dano durante o cisalhamento do que uma junta resistente e mais
lisa, com JCS alto e JRC baixo (Figura 3.9). Apesar de ambas
sofrerem o fenmeno de dilatncia, somente as juntas com valores de
JCS e JRC altos vo possuir dilatncia significativa.
No presente trabalho foi utilizada a equao 3.15 de Barton &
Bandis (1982) para a estimativa do JRC atravs da correo de escala
proposta pelos autores acima citados
expresses na seguinte equao:
002,0
00
JRCn
n LL
JRCJRC
=
(3.15)
Onde JRC0 e L0 esto referidos escala das leituras e JRCn e Ln
esto referidos aos
tamanhos dos blocos in situ.
-
29
Figura 3.9 Estimativa do JRC Coeficiente de rugosidade da Junta
(Barton, 1982).
3.3 EFEITO DA RUGOSIDADE OU ONDULAO
Patton (1996) sugere que as superfcies rugosas podem ser
divididas em duas ordens de grandeza. As de primeira ordem
correspondem s maiores ondulaes de descontinuidades,
apresentam comprimentos de onda maiores que 0,5m e ngulos de
rugosidade (i) entre 10 a 15. As rugosidades de segunda ordem
correspondem a pequenas salincias ou ondulaes
-
30
com comprimentos menores que 0,1m e ngulos mais elevados, em
torno de 20 a 30.
Segundo o autor, as rugosidades de primeira ordem devem ser
sempre consideradas nas
observaes de campo. Porm, Barton (1973) comenta que as
rugosidades de segunda ordem tambm devem ser consideradas. (Figura
3.10).
Figura 3.10 Rugosidades de primeira e segunda ordem (Wyllie
& Norrish, 1996).
Wyllie e Norrish (1996) comentam que a combinao entre as
irregularidades ou ondulaes esto diretamente relacionadas ao ngulo
de atrito, que por sua vez est
relacionado ao efeito da dilatncia caracterizada pelo critrio de
Barton & Bandis (1981).
Barton (1973 in Maldonado, 2006) comenta que o cisalhamento dado
nas descontinuidades sempre depende dos efeitos combinados da
rugosidade da descontinuidade, da resistncia
da rocha na superfcie da descontinuidade, da tenso normal
aplicada e da quantidade de
deslocamento. Na Figura 3.11 possvel observar a transio da
dilatao ao cisalhamento
das rugosidades. Observa-se que no ponto A ocorre uma dilatncia
normal ao deslocamento
e no ponto B a dilatncia ocorre de forma progressiva e h um
cisalhamento das
rugosidades.
Roughness angles for second-order asperities
Roughness angles for first-order asperities
~ 0.5 to 2 m
17o15o
8o
13 o
6o
9o
~ 0.05 to 0.1 m
Roughness angles for second-order asperities
Roughness angles for first-
~ 0.5 to 2 m
17o15o
8o
13 o
6o
9o
~ 0.05 to 0.1 m
ngulos de rugosidade - Primeira ordem
ngulos de rugosidade - Segunda ordem
-
31
Figura 3.11 Rugosidade x Esforo Normal - Incremento do ngulo de
atrito pela
rugosidade (Wyllie & Mah, 2004 in Maldonado, 2006)
Maldonado (2006) comenta que inicialmente a superfcie rugosa
submetida a tenses normais baixas e possui um ngulo de atrito alto
(b + i). Aps o incremento da tenso normal e do deslocamento, com o
cisalhamento das rugosidades, o ngulo de atrito
diminuir de forma progressiva at chegar ao b (ngulo de atrito
bsico ou residual). A Figura 3.11 apresenta esse fenmeno de
dilatncia em um diagrama de Mohr onde h em
um primeiro momento uma envoltria no linear inicial com inclinao
(b + i) reduzindo em um segundo momento a b para tenses normais
altas.
3.4. ENSAIOS DE LABORATRIO
Realizaram-se ensaios geotcnicos de laboratrio de caracterizao e
de resistncia
geomecnica em diversos litotipos das minas de Carajs para a
determinao de seus parmetros de resistncia, descritos de forma
sucinta a seguir.
-
32
3.4.1 ENSAIOS DE CARACTERIZAO
A caracterizao geotcnica dos litotipos ensaiados consistiu na
determinao dos seguintes
parmetros descritos a seguir, os quais definem e classificam a
tipologia de cada material.
a) Granulometria: O ensaio granulomtrico efetuado por meio de
uma srie de peneiramentos em malhas padronizadas (NBR 7181 Anlise
Granulomtrica e NBR 6502/84). Segundo Vieira Costa (2009), o
arranjo granulomtrico definido pela distribuio das partculas em
percentual, de tamanhos diversos em uma mesma fase de
composio mineral da massa total. Os ensaios granulomtricos foram
realizados por
peneiramento na frao grossa e por sedimentao na frao fina.
b) Limites de Atterberg: tambm conhecido como limites de
consistncia esto baseados, segundo Rigo (2005), no conceito de que
a poro fina pode estar presente em qualquer dos estados: a) slido,
b) semi-slido, c) plstico e d) lquido, ou seja, esto relacionados
aos teores de umidade que marcam a passagem de um estado a outro,
definidos como limite de
contrao (LC), limite de plasticidade (LP) e limite de liquidez
(LL). A obteno desses limites foi feita de acordo com os
procedimentos das normas brasileiras NBR 6459
(Determinao do Limite de Liquidez) e NBR 7180 (Determinao do
Limite de Plasticidade). No presente trabalho s foram utilizados os
limites de liquidez e plasticidade, sendo o IP (ndice de
Plasticidade) resultante destes. O ndice de Contrao no foi
utilizado.
c) Densidade e/ou Peso Especfico: definido como a relao entre o
peso das partculas do material e o peso de igual volume de gua,
tambm definido como densidade real. A
densidade aparente definida pela relao entre o peso do slido e
seu volume total. Tendo-
se a densidade aparente e a real determinam-se os pesos
saturados, naturais e secos dos
gros (Vieira, 1975 in Vieira Costa, 2009). Esse ensaio atende as
normas tcnicas que esto contidas na NBR 6508/84.
-
33
d) Compactao: esse parmetro foi obtido por meio da energia do
Procto Normal com o reuso do material, segundo a NBR 6457 (Preparao
para Ensaios de Compactao e Ensaios de caracterizao).
3.4.2 ENSAIOS DE RESISTNCIA MECNICA
a) Cisalhamento Direto: Segundo Head (1982 in Rigo 2005),
trata-se do mtodo mais antigo e mais simples para se obter
parmetros de resistncia do solo. Esse ensaio
largamente empregado para se determinar os parmetros de
resistncia ao cisalhamento de
uma determinada amostra, onde por meio de uma srie de ensaios
sob diferentes tenses
normais com um mnimo de trs define-se a envoltria de ruptura ao
cisalhamento de
Mohr-Coulomb e determinam-se os parmetros de coeso ou intercepto
de coeso e o
ngulo de atrito.
Podese definir tambm a resistncia de uma determinada
descontinuidade e/ou de seu
preenchimento, sendo realizado com adensamento ou no, dependendo
do que est sendo
avaliado. Consiste na aplicao de foras normais confinantes e
horizontais cisalhantes,
onde a tendncia na aplicao dessas foras deslocar uma das caixas
em relao outra
provocando sua ruptura ou cisalhamento. Com isto possvel
determinar a resistncia do
material s foras aplicadas. Na execuo do ensaio, a ruptura ao
cisalhamento definida
quando a poro superior da caixa metlica atingir 15 a 20% de
deslocamento em relao a
sua poro inferior. Quando a fora normal aplicada e a fora
cisalhante s iniciada posteriormente a fase de adensamento estar
completa, se diz que o ensaio do tipo drenado-
adensado (Vieira Costa, 2009). Os corpos de prova (cp) dos
ensaios de cisalhamento direto utilizados neste trabalho foram
moldados manualmente e confinados nas caixas metlicas
de dimenses 25 x 25 cm com calda de cimento ARI na relao A/C
igual a 0,5. O
espaamento entre caixas foi de 5 mm. Os ensaios foram efetuados
em prensa com
deslocamento controlado na velocidade de 0,08 mm/h, sendo a zona
de cisalhamento
mantida inundada durante todo o ensaio. Para a realizao desse
ensaio foi seguida a Norma
da Associao Internacional de Mecnica dos Solos (ASTM, 1990).
-
34
b) Ensaios Triaxiais: so largamente utilizados para a
caracterizao da resistncia ao cisalhamento de materiais e da
caracterizao de resistncia de superfcies de
descontinuidades. Este ensaio consiste na compresso axial de uma
amostra cilndrica de
material solo ou rocha, onde aplicada simultaneamente a presso
confinante por meio de
uma contrapresso onde o cilindro do cp envolto em uma membrana
dentro de uma
cmara triaxial (Figura 3.12). Nestas condies a tenso axial
aplicada ao corpo de prova constitui a tenso maior (1) e as tenses
intermedirias (2) e menor (3) se igualam presso de
confinamento.
Segundo Vieira Costa (2009), nos ensaios triaxiais a distribuio
das tenses aplicadas mais uniforme e vrios parmetros podem ser
controlados, como: velocidade de
carregamento, condies de drenagem do corpo de prova, grau de
adensamento e a
seqncia de carregamento. Desta forma possvel simular inmeras
situaes de
carregamento, sendo por isso que esse ensaio o mais utilizado
para se determinar a
resistncia ao cisalhamento de materiais.
Os ensaios executados para este estudo, os quais esto melhores
descritos no captulo 8,
foram efetuados em sries de quatro cps moldados com 5,08 cm de
dimetro e 12,70 cm de
altura, sendo aplicadas tenses confinantes de 2, 4, 6 e 12
kgf/cm para as amostras de
rocha mfica decomposta e 2, 4, 6 e 8 kgf/cm para as amostras de
hematita macia. Para os
ensaios tipo CUsat (amostra saturada e no drenada), iniciou-se
com a percolao do cp no sentido da base para o topo mediante
aplicao de contrapresso (p) de 10 kPa e presso de cmara (c) de 25
kPa. A saturao dos corpos de prova, foi feita por contrapresso at
600 kPa, em estgios de 25 kPa, seguida de percolao at obter um
valor satisfatrio para
o parmetro B (u/c). Na fase de pr-adensamento, a drenagem foi
feita pelo topo e pela base do cp, registrando-se a variao de
volume diretamente no corpo de prova. A
velocidade de carregamento na fase de ruptura foi de 0,06%/min,
equivalente a 0,46 cm/h.
Nos ensaios tipo CU, no houve a saturao. Foi feito o
pr-adensamento com drenagem
somente pelo topo, registrando-se a variao de volume do corpo de
prova indiretamente
na cmara triaxial, sendo que o procedimento de ruptura foi o
mesmo do ensaio CUsat. Para
-
35
os ensaios lentos tipo CDsat (amostras saturadas e drenadas), o
procedimento de percolao, saturao e de adensamento foi igual ao dos
ensaios rpidos CUsat. A
velocidade mdia de deformao na fase de ruptura foi controlada
para no haver
desenvolvimento de presso neutra foi de 0,0032%/min (0,024 cm/h)
. Ao final dos ensaios foi determinada a granulometria final dos
corpos de provas ensaiados.
Figura 3.12 Prensa utilizada para execuo dos ensaios triaxiais
(CESP, 2003).
c) Ensaios de Cisalhamento por Toro Ring Shear: consistem no
cisalhamento de um corpo de prova com formato anelar, onde os
deslocamentos podem ser aplicados de forma
continua e indefinidamente em uma nica direo, favorecendo o
alinhamento das
partculas argilosas do solo e obtendo-se a resistncia do
cisalhamento residual. Este
cisalhamento realizado aplicando-se uma rotao a uma poro do
corpo de prova,
enquanto h uma reao da outra poro onde se tem um dispositivo
para medio de carga,
onde se transmite o torque ao corpo de prova. Com isso
determina-se a tenso cisalhante na
superfcie de cisalhamento que possui rea constante.
Segundo Rigo (2005), os primeiros equipamentos de toro foram
desenvolvidos na dcada de 1930, tendo-se sido desenvolvidos outros
nas dcadas de 1940, 1950 e 1960, porm suas
limitaes impediram a utilizao tcnica. Bishop et al (1971 in
Rigo, 2005)
-
36
desenvolveram um novo equipamento ring shear por meio de
diversos estudos sobre o
cisalhamento residual, o qual sofreu alteraes pelas revises do
mtodo entre os anos de
1917 a 1970. O anel utilizado para os ensaios de cisalhamento
ring shear visualizado na
(Figura 3.13).
Figura 3.13 Moldagem de amostra para ensaio de cisalhamento
circular ring shear
(CESP, 2009).
Os ensaios realizados para a mina N4E foram efetuados em cps com
o formato de uma
coroa circular, em dimenses internas int = 10,16 cm, dimenses
externas ext = 15,24 cm e altura h = 1,91 cm (Figura 3.14).
-
37
Figura 3.14 Equipamento utilizado para execuo do ensaio ring
shear (CESP, 2009).
Segundo Bishop et al. (1971, in Rigo, 2005), a relao entre o
dimetro interno e o dimetro externo da amostra contribuem para que
as tenses cisalhantes sejam uniformes ao plano de cisalhamento da
amostra, a qual esta contida lateralmente entre dois anis
concntricos, um anel superior e outro inferior, e verticalmente,
por dois discos anelares
onde so aplicados o carregamento. Quando a rotao ocorre na poro
inferior da amostra, mais precisamente na sua metade, a poro
superior reage ocorrendo o torque ou toro da
amostra, medindo-se pelos anis dinamomtricos o torque
aplicado.
Segundo Rigo (2005), a principal caracterstica desse ensaio a
possibilidade de se controlar o espaamento entre os anis evitando
assim a perda de amostra de solo e os
atritos indesejveis durante a execuo do ensaio. Algumas
desvantagens acerca do equipamento so apontadas por Bishop et al
(1971, in Rigo, 2005) no tocante ao custo elevado, dificuldade na
preparao das amostras, complicada operao e durao dos
ensaios com demora significativa. Porm o ensaio ring shear se
diferencia do cisalhamento
direto por apresentar resultados de resistncia residual de forma
direta.
-
38
3.5 ANLISE E RETROANLISE DE RUPTURAS
Neste item apresentam-se conceitos do mtodo de equilbrio limite
e do fator de segurana
em estudos de estabilidade de taludes.
3.5.1 MTODO DO EQUILBRIO LIMITE
Pacheco (2005), comenta que os mtodos de equilbrio limite, so
amplamente utilizados e tem demonstrado rapidez, preciso e
simplicidade em sua aplicao, quando utilizados para
anlise de estabilidade de taludes.
O mtodo de equilbrio limite assume como hiptese na maioria dos
casos o critrio de
ruptura de Mohr-Coulomb, em que a deformao do material no levada
em
considerao, sendo as condies de equilbrio determinadas pelo
equilbrio das foras e
dos momentos. Para tal, admite-se que a ruptura se dar em uma
superfcie preferencial
onde a resistncia ao cisalhamento ser mobilizada pela massa
rompida.
Este mtodo assume algumas hipteses bsicas, tais como:
A existncia de uma superfcie de ruptura bem definida;
Que a massa de solo ou de rocha se encontra em condies de
ruptura generalizada iminente;
Assume o critrio de ruptura (Mohr-Coulomb) ao longo de toda
superfcie de ruptura;
O fator de segurana (FS) constante e nico ao longo de toda
superfcie de ruptura;
O principal objetivo encontrar a superfcie de ruptura, ou que
corresponde ao menos fator de segurana (FS);
Vieira Costa (2009) faz comentrio sobre o mtodo de equilbrio
limite e sua sensibilidade em relao aos parmetros de resistncia
largamente utilizada para taludes onde as rupturas
-
39
so controladas por descontinuidades persistentes, em geral,
aplicado a rupturas planares,
plano circulares, cunhas e tombamentos. O mtodo de cunha
utilizado quando h uma
superfcie preferencial de ruptura condicionante de
instabilidade. Ao contrrio, quando esta
superfcie no bem definida utilizam-se superfcies circulares.
Para ambos os casos os
clculos realizados subdividem a rea potencial de instabilidade
em fatias ou lamelas,
chamado de mtodo das lamelas ou mtodos das fatias.
Segundo Campos (2005), a anlise do mtodo das pressupe da
existncia de uma superfcie qualquer de deslizamento para toda a
massa de um determinado talude, indicado
na Figura 3.15
Para o Mtodo das Fatias ou Mtodo das Lamelas, a massa intrnseca
ao deslizamento
dividida numa srie de fatias dentro da rea instabilizada, onde
para se obter a tenso
normal na superfcie de ruptura necessrio o clculo do fator de
segurana que no pode
ser obtido s pela simples decomposio das forcas envolvidas, isto
porque a tenso a ser
determinada na rea total da superfcie de ruptura no se apresenta
constante e sim varivel.
Com isto se divide a rea instabilizada em fatias onde as foras
envolvidas so todas
somadas incluindo-se as foras normais e cisalhantes por fatias.
(Pelucci, 2006 in Vieria Costa 2009).
Figura 3.15 Mtodo das lamelas, rea potencial de instabilidade
(Sarma, 1996 in Ferreira 1998).
-
40
Segundo Ferreira (1998) cada fatia afetada por um sistema de
foras (Figura 3.16) onde a linha de estocada a conexo do conjunto
de pontos onde se aplicam as foras inter-fatias, esta linha
determinada utilizando um mtodo de anlise que satisfaa todas as
condies
de equilbrio.
Figura 3.16 Decomposio das foras atuantes em uma lamela (Sarma,
1996 in Ferreira 1998).
Para um melhor entendimento, segue a descrio dos fatores que
compes as foras
atuantes em uma lamela:
FS Fator de Segurana;
Sa - Resistncia Disponivel onde Sa = c + N tg Sm Resistncia
mobilizada
U Poro Presso
U - Fora da gua superficial
W Peso da fatia
N Fora/Tenso Normal Efetiva
Qe Sobrecarga externa Kv Coeficiente ssmico vertical
Kh - Coeficiente ssmico horizontal
ZL Fora interfatias do lado esquerdo
ZR - Foras Interfatias do lado direito
-
41
L - ngulo de inclinao das foras interfatias do lado esquerdo
R - ngulo de inclinao das foras interfatias do lado direito
hL altura do ponto de aplicao da fora ZL hr altura do ponto de
aplicao da fora ZR
- Inclinao da base da fatia
- Inclinao do topo da fatia h altura mdia da fatia
hc - altura mdia do centride da fatia
Pacheco, 2005 tece comentrios acerca dos diferentes mtodos de
fatias propostos na
literatura e suas diferenas acerca das simplificaes adotadas
para o processo de clculo,
em relao s foras entre fatias e para se determinar a fora normal
N observada na base da
fatia. As Tabelas 3.1 e 3.2, apresentam as principais
caractersticas encontradas nos
principais mtodos de equilbrio limite.
Tabela 3.1 - Principais caractersticas dos Mtodos de Equilbrio
Limite considerados no
rigorosos (Campos, 1985 in Pacheco, 2005).
MTODO HIPTESE TIPO DE SUPERFCIE/COMENTRIOS Fellenius
(1927) Desconsidera foras entre fatias Circular
Bishop
Simplificado
(1955)
A resultante das foras entre as
fatias horizontal
Circular: n hipteses sobre o ponto de aplicao da fora
normal e (n-1) sobre a magnitude das foras tangenciais entre
fatias. O FS determinado a partir da considerao do
equilbrio dos momentos.
Janbu
Simplificado
(1968)
A resultante das foras entre as
fatias horizontal. Um fator de
correo emprico f0 usado para
levar em conta os efeitos das
foras tangenciais.
Qualquer: valores de f0 sugeridos para condies de solos
homogneos. O FS determinado a partir do equilbrio das
foras.
Janbu
Generalizado
(1968)
Localizao da fora normal
entre fatias definida por uma
linha de empuxo arbitrria.
Qualquer: n hipteses sobre o ponto de aplicao das foras normais
entre fatias. A posio da ltima fatia no usada,
o equilbrio de momentos no satisfeito na ltima fatia. O
FS determinado a partir do equilbrio de foras e de
momentos.
-
42
Tabela 3.2 Principais caractersticas dos Mtodos de Equilbrio
Limite considerados
rigorosos (Campos, 1985 in Pacheco, 2005).
MTODO HIPTESE TIPO DE SUPERFCIE/COMENTRIOS Spencer
(1967) Resultante das foras entre fatias
tem inclinaes constantes
atravs da massa do solo
Qualquer: o mtodo semelhante ao de Morgenstern Price com f(x) =
1.
Gle/Morgenstern
Price
(1965)
A direo da resultante das
foras entre as fatias so
definidas usando uma funo
arbitrria f(x). A parcela de f(x) que se faz necessria ao
equilbrio das foras e dos
momentos calculada.
Qualquer: n hipteses sobre o ponto de aplicao da fora normal e
(n-1) sobre a magnitude relativa das foras entre as fatias. Uma
incgnita adicionada e as fatias so de espessuras
infinitesimais.
Sarma
(1973) A resistncia interna entra as
fatias mobilizada e a
distribuio das resultantes das
foras tangenciais entre as
mesmas definidas por uma
funo arbitrrias. Para satisfazer
o equilbrio das foras e dos
momentos uma porcentagem da
funo calculada.
Qualquer: n hipteses sobre o ponto de aplicao das foras normais
e (n-1) sobre a magnitude relativa das foras tangenciais ente
fatias, uma incgnita introduzida.
3.5.2 FATOR DE SEGURANA NA ESTABILIDADE DE TALUDES
Segundo Vieira Costa (2009), para se realizar uma anlise de
estabilidade precisa no que tange aos conceitos de segurana e
economicidade de um empreendimento mineiro,
fundamental que sejam levantados todos os aspectos que estejam
envolvendo um determinado problema, onde sejam observados e
estudados cada parmetro individualmente e quantific-los na elaborao
final da anlise. Para taludes de minerao, o ngulo final
est diretamente relacionado com a otimizao da segurana e
economicidade das
escavaes.
-
43
Esse autor comenta sobre a vida til relativamente curta dos
taludes de minerao e, com a
elevada altura desses adotam-se fatores de segurana de 1.3 para
se obter um mnimo de
segurana e minimizar riscos para os empreendimentos, sendo que o
nvel de segurana de
um talude est relacionado com o tempo em que se deseja que ele e
reas vizinhas permaneam estveis.
Ferreira (1998) tece comentrios acerca do conceito do Fator de
Segurana e sua relao com as foras que tendem evitar o movimento de
uma massa e as foras que tendem a
moviment-lo. Assim, o fator de segurana definido por:
F = (Esforos resistentes ao movimento) / (Esforos que tendem a
causar o movimento
Ferreira (1998) comenta que os esforos que tendem a causar o
movimento so definidos pelo peso da rea crtica, definida por uma
descontinuidade ou por uma superfcie onde o
fator de segurana apresenta-se mnimo, ou pela combinao das duas.
Os esforos
resistentes ao movimento so definidos por uma envoltria de
ruptura do material ou pela
envoltria de uma determinada descontinuidade ou tambm pela
combinao de ambas.
3.6. SOFTWARES UTILIZADOS
Os softwares abaixo descritos foram utilizados para a elaborao
de estereogramas (DIPS), anlises e retroanlises (SLIDE) e
determinao e elaborao de grficos para ensaios de cisalhamento
triaxiais, bem como na sua interpretao dos resultados (ROCKDATA).
Ambos os softwares so da Rocsciense, sendo a VALE S/A detentora de
suas licenas.
3.6.1 Slide
Este software desenvolvido para anlises de estabilidades 2D de
taludes utilizando o
mtodo de equilbrio limite, onde busca a superfcie crtica de
ruptura com vistas a
determinao do fator de segurana. Para as anlises e retroanlises
foram utilizados os
-
44
mtodos: Mtodo geral de Equilbrio Limite (GLE), Morgenstern-
Price, Janbu Simplificado e Spencer por serem mais completos e
adequados aos casos avaliados de
rupturas com controle estrutural e o mtodo de Bishop
Simplificado para as rupturas
circulares sem controle estrutural.
Para a elaborao das anlises e retroanlises utilizou-se o critrio
de Mohr Coulomb
considerando-se a coeso e o ngulo de atrito e o critrio de
Barton & Bandis para as sees
que ocorrem superfcies de cisalhamento bem definidas.
3.6.2 Dips
Utilizado para a elaborao de anlises estruturais para os
diversos domnios da mina de
N4E.
Para a elaborao dos estereogramas utilizou-se dados levantados
em campo de
descontinuidades (foliaes, planos de cisalhamento, juntas e
falhas e) levando em considerao o mergulho (dip) e o rumo de
mergulho (dip direction) de cada plano.
3.6.3 Rockdata
Este software proporcionou a elaborao de grficos em ambiente 3 e
1 e x , posteriormente definindo-se a envoltria de ruptura para os
litotipos avaliados e suas faixas
de resistncia. Foram utilizados dados de 3 e 1 para os ensaios
triaxiais e grficos x
para os ensaios de cisalhamento direto.
3.7 EFEITO DA ESCALA
Segundo Guest & Read (2009), os efeitos de escala no
comportamento de macios rochosos e na resistncia ao cisalhamento
dependem das descontinuidades que os cortam (Figura 3.17).
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OverallSlope
InterrampSlope
Bench
Bench
Geological Fault
OverallSlope
InterrampSlope
Bench
Bench
Geological Fault
Figura 3.17 - Esquema mostrando como o comportamento de
descontinuidades no macio
rochoso depende do tamanho da amostra (Hoek & Brown,
1997)
Vieira Costa (2009) faz comentrios sobre o efeito escala em
escavaes a cu aberto onde afirma que o comportamento de
descontinuidades esta relacionado com a dimenso do
talude. Por exemplo: a ocorrncia de um nvel mais fraturado ou de
um nmero maior de
descontinuidades em escala de bancada no necessariamente
representa o talude como todo
podendo ser representativas s para aquela bancada onde seus
comportamentos prevaleam.
A quantidade e a qualidade dos dados decrescem rapidamente com o
aumento do tamanho e
volume das amostras.
Uma amostra pode ser representativa para a escala de uma ou duas
bancadas e no mais
para o restante do talude, isto compromete a qualidade dos
ensaios de laboratrio quando
estes so novamente transportados para dentro da mina (Figura
3.18).
Berma
Berma Talude interrampas
Descontinuidades
Talude Global
-
46
Figura 3.18 - Efeito de escala e a relao entre tamanho da obra e
intensidade de
fraturamento do macio rochoso e conseqente propriedade relevante
da rocha. (Hoek, 1983 in Vieira Costa, 2009).
3.8. CONDIES HIDROGEOLGICAS
Beale (2009) descreve fatores essenciais onde a presena de gua
pode afetar nas escavaes em minas a cu aberto
Pode causar alteraes nas tenses efetivas do macio rochoso
escavado. O
incremento da poro-presso resulta na diminuio da resistncia ao
cisalhamento;
Em taludes ngremes quando h um aumento da poro-presso,
conseqentemente h
um aumento nas tenses induzidas;
Ao da gua nos meios porosos ou em descontinuidades do macio
reduz as
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tenses efetivas e reduz a resistncia ao cisalhamento;
h considerveis perdas de acesso em