metodologia probabilística e observacional aplicada a barragens de rejeito construídas por aterro

394 Pages·2000·4.07 MB·Portuguese

UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA
FACULDADE DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL E AMBIENTAL

METODOLOGIA PROBABILÍSTICA E OBSERVACIONAL
APLICADA A BARRAGENS DE REJEITO CONSTRUÍDAS POR
ATERRO HIDRÁULICO

TEREZINHA DE JESUS ESPÓSITO

Orientador: ANDRÉ PACHECO DE ASSIS, PhD

TESE DE DOUTORADO EM GEOTECNIA
PUBLICAÇÃO: G.TD-004A/00

Brasília / DF: Julho / 2000
UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA
FACULDADE DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL E AMBIENTAL

METODOLOGIA PROBABILÍSTICA E OBSERVACIONAL APLICADA A
BARRAGENS DE REJEITO CONSTRUÍDAS POR ATERRO HIDRÁULICO

TEREZINHA DE JESUS ESPÓSITO

Tese de doutorado submetida ao Departamento de Engenharia Civil e Ambiental da
Universidade de Brasília como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de
Doutor.

Aprovado por:

______________________________________
André Pacheco de Assis, PhD, UnB
(ORIENTADOR)

______________________________________
Ennio Marques Palmeira, PhD, UnB
(EXAMINADOR INTERNO)

______________________________________
Eraldo Luporini Pastore, DSc, UnB
(EXAMINADOR INTERNO)

______________________________________
Maria Eugênia Gimenez Boscov, DSc, USP/SP
(EXAMINADORA EXTERNA)

______________________________________
Romero César Gomes, DSc, UFOP
(EXAMINADOR EXTERNO)

Brasília, 06 de julho de 2000

ii
FICHA CATALOGRÁFICA

ESPÓSITO, TEREZINHA DE JESUS
Metodologia Probabilística e Observacional Aplicada a Barragens de
Rejeito Construídas por Aterro Hidráulico. [Distrito Federal] 2000.
xxxi, 363 p, 297 mm (ENC / FT / UnB, Doutor, Geotecnia, 2000)
Tese de Doutorado - Universidade de Brasília. Faculdade de Tecnologia.
Departamento de Engenharia Civil e Ambiental
1. Barragem de Rejeito 2. Aterro Hidráulico
3. Estabilidade de taludes 4. Liquefação
I. ENC / FT / UnB II.Título (série)

REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA

ESPÓSITO, T.J. (2000). Metodologia Probabilística e Observacional Aplicada a Barragens de
Rejeito Construídas por Aterro Hidráulico. Tese de Doutorado, Publicação G.TD-004A/00,
Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Universidade de Brasília, Brasília, DF, 363 p.

CESSÃO DE DIREITOS

NOME DO AUTOR: Terezinha de Jesus Espósito
TÍTULO DA TESE DE DOUTORADO: Metodologia Probabilística e Observacional Aplicada a
Barragens de Rejeito Construídas por Aterro Hidráulico.
GRAU: Doutor ANO: 2000

É concedida à Universidade de Brasília a permissão para reproduzir cópias desta tese de doutorado
e para emprestar ou vender tais cópias somente para propósitos acadêmicos e científicos. O autor
reserva outros direitos de publicação e nenhuma parte desta tese de doutorado pode ser
reproduzida sem a autorização por escrito do autor.

_______________________________
TEREZINHA DE JESUS ESPÓSITO
Rua Benedito Valadares - 306
36.880-000 - Muriaé - MG - Brasil
Tel. [phone]

iii
DEDICATÓRIA

Para meus pais, João e Benita.
Todos os meus êxitos a eles sempre
pertencerão.

Essa Tese de Doutorado é um tributo a
Miguel Calcagno, patriarca
intelectual de toda uma descendência.
iv
AGRADECIMENTOS

À Universidade de Brasília.

À CAPES, nosso órgão de fomento.

À SAMTRI Mineração da Trindade S. A., cuja parceria possibilitou esse trabalho.

Aos Departamentos de Engenharia Civil e de Geologia da Escola de Minas da Universidade Federal
de Ouro Preto.

Ao Laboratório de Solos da CEMIG.

Muito mais do que agradecer gostaria de compartilhar essa tese de doutorado com todos
os amigos:

Ao Professor, Orientador e Grande Amigo André Assis. Todo o meu carinho.

A todos os professores do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia. Todo o meu
reconhecimento.

Aos meus amigos da Geotecnia. Toda a minha cumplicidade.

Às amigas de teto da Colina Aleide, Ana Elisa, Gilmara e Silvana. Toda a minha saudade.

Ao Prof. Romero, amigo e Mestre.

Ao Luis Brás, pela amizade e apoio.

Às amigas Teresinha e Eliana, incentivadoras ontem, hoje e sempre.

À amiga Cláudia, presença constante nas minhas investidas no universo da Estatística.

Às filhas do coração Áurea, Angélica e Jacqueline, pela paciência e carinho.

À Marta, minha fiel escudeira.

Ao meu irmão Péricles, sem ele, certamente, não poderia ter voado tanto.

À minha irmã Myrian, por seu carinho e dedicação.

À minha irmã Margarida, presença constante no caminho das letras, ou em qualquer outro que me
atreva a trilhar.

Em especial ao Levy. Para ele, todo o meu amor.
v
RESUMO

O objetivo principal dessa tese foi aperfeiçoar e aferir a metodologia probabilística de controle de
qualidade de construção de barragens de rejeito que utilizam o próprio rejeito como principal
material de construção, inicialmente proposta por Espósito (1995). Para isso foram mapeadas as
porosidades in situ de duas barragens de rejeito de minério de ferro, denominadas Xingu (Mina de
Alegria) e Monjolo (Mina de Morro Agudo), pertencentes à SAMITRI e projetadas para serem
construídas com utilização da técnica de aterro hidráulico de acordo com o método de montante.
Baseado na variabilidade das porosidades, parâmetros de resistência e permeabilidade foram
determinados em laboratório, sendo estabelecidas correlações entre esses parâmetros e a
porosidade. A partir dessas correlações, as distribuições estatísticas dos parâmetros geotécnicos
foram geradas, assumindo essas como resultantes da distribuição das porosidades medidas em
campo e das correlações obtidas em laboratório. Análises probabilísticas de estabilidade, com
determinação do Fator de Segurança (FS) e da Probabilidade de Ruptura (pr), foram realizadas,
bem como uma avaliação do potencial de liquefação, considerando as variações do rejeito durante
sua própria deposição, e também aquelas que ocorrem ao longo do tempo, em diferentes
alteamentos. Ao final foi demonstrada a aplicação da metodologia na avaliação global do
comportamento da barragem de rejeitos e conseqüente análise de risco. Os resultados obtidos
permitem concluir que a Metodologia Probabilística e Observacional aplicada a barragens de rejeito
construídas por aterro hidráulico, baseada no mapeamento da variabilidade das porosidades in situ,
se apresenta como uma ferramenta simples e eficaz, podendo ser incorporada na rotina de
projetistas e no acompanhamento do alteamento construtivo, de forma a contribuir no processo de
tomadas de decisões, que visem maximizar a segurança e minimizar os custos.

vi
ABSTRACT

This thesis aimed to improve and verify the probabilistic methodology, initially proposed by Espósito
(1995), applied to tailings dams during construction, which use their own tailings as the main
construction material. In situ porosities were mapped on two tailings dams, named Xingu (Alegria
Mine) and Monjolo (Morro Agudo Mine), both belonging to SAMITRI and designed to be built
using hydraulic fill techniques according to the Upstream Method. Considering the porosity
variability, strength and permeability parameters were obtained in laboratory, and correlations
between those parameters and the porosity were established. From these correlations, the statistical
distributions of the geotechnical parameters were generated, assuming them as a result of the in situ
porosity distribution and the correlations obtained in laboratory. Probabilistic analyses of stability,
with determination of the Safety Factor (FS) and Failure Probability were accomplished, as well as
an evaluation of the liquefaction potential, considering the tailings changes during deposition, and also
those along time, in different construction stages. Finally, the application of the methodology was
demonstrated to evaluated the general behavior of the tailings dams and consequent risk analyses.
The results indicated that the Probabilistic and Observational Methodology applied to tailings dams
built by hydraulic fill, based on the mapping of the in situ porosity variability, seems to be a simple
and effective procedure to be incorporated in the design routine and during constructions stages, in
such way to contribute for maximizing safety and minimizing costs.

vii
ÍNDICE

Capítulo Página

1 - INTRODUÇÃO.....................................................................................................................1
1.1 - JUSTIFICATIVA E OBJETIVOS.......................................................................................1
1.2 - ESCOPO DA TESE............................................................................................................3

2 - REJEITOS GRANULARES DEPOSITADOS HIDRAULICAMENTE..................................6
2.1 - REJEITOS...........................................................................................................................6
2.2 - ATERROS HIDRÁULICOS.............................................................................................11
2.2.1 - Densidade dos aterros depositados hidraulicamente..........................................................18
2.2.2 - Aterros hidráulicos e barragens de rejeito.........................................................................25
2.3 - RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DOS MEIOS GRANULARES..........................32
2.3.1 - Alguns conceitos relativos a meios granulares....................................................................32
2.3.2 - Resistência ao cisalhamento dos meios granulares.............................................................35
2.3.3 - Medidas da resistência ao cisalhamento dos solos
granulares em laboratório..................................................................................................36
2.3.4 - Comportamento de meios granulares saturados durante
cisalhamento drenado.......................................................................................................43
2.3.5 - Comportamento de meios granulares saturados durante
cisalhamento não drenado.................................................................................................46
2.3.6 - Liquefação dos meios granulares......................................................................................47
2.4 - AVALIAÇÃO DO COMPORTAMENTO GEOTÉCNICO DE
REJEITOS GRANULARES DEPOSITADOS HIDRAULICAMENTE.............................55
2.5 - ESTADO DA PRÁTICA DA DEPOSIÇÃO DE REJEITOS DAS
MINERADORAS BRASILEIRAS.....................................................................................57

3 - METODOLOGIA PROBABILÍSTICA E OBSERVACIONAL
APLICADA A BARRAGENS DE REJEITOS CONSTRUÍDAS
POR ATERRO HIDRÁULICO ............................................................................................62
3.1 - INTRODUÇÃO................................................................................................................62
3.2 - METODOLOGIA PROBABILÍSTICA E OBSERVACIONAL
APLICADA A BARRAGENS DE REJEITO.....................................................................63
3.3 - MEDIDA EM CAMPO DA VARIABILIDADE DAS MASSAS ESPECÍFICAS
SECA (r ) E DOS GRÃOS (r ) DE DIVERSOS PONTOS AMOSTRADOS
d s
DURANTE UM CERTO ALTEAMENTO DA BARRAGEM...........................................65
3.4 - DETERMINAÇÃO DA POROSIDADE (n) EM FUNÇÃO DA
DENSIDADE IN SITU E DOS GRÃOS E SUA RESPECTIVA
FREQÜÊNCIA DE OCORRÊNCIA.................................................................................66
3.5 - CARACTERIZAÇÃO DO REJEITO E FORMAÇÃO DE UM
MATERIAL TÍPICO.........................................................................................................68
viii
3.6 - OBTENÇÃO DOS PARÂMETROS GEOTÉCNICOS DO REJEITO
EM LABORATÓRIO CONSIDERANDO A FAIXA DE VARIAÇÃO
DAS POROSIDADES EM CAMPO................................................................................69
3.7 - ESTABELECIMENTO DE CORRELAÇÕES ENTRE AS POROSIDADES
E OS PARÂMETROS GEOTÉCNICOS DE RESISTÊNCIA E
PERMEABILIDADE..........................................................................................................70
3.8 - ANÁLISE PROBABILÍSTICA CONSIDERANDO A
VARIABILIDADE DOS PARÂMETROS GEOTÉCNICOS...........................................71
3.9 - ANÁLISE PROBABILÍSTICA DA LIQUEFAÇÃO........................................................72
3.10 - JUSTIFICATIVA DA AVALIAÇÃO DO COMPORTAMENTO DAS
BARRAGENS DE REJEITOS.........................................................................................73

4 - CARACTERIZAÇÃO DO REJEITO...................................................................................75
4.1 - INTRODUÇÃO................................................................................................................75
4.2 - CASOS-ESTUDO: PILHA DO XINGU E PILHA DO MONJOLO.................................76
4.2.1 - Características da Pilha do Xingu - Mina de Alegria.........................................................77
4.2.2 - Características da Pilha do Monjolo - Mina de Morro Agudo...........................................81
4.3 - ENSAIOS GEOTÉCNICOS E ESTUDOS COMPLEMENTARES.................................83
4.4 - CARACTERIZAÇÃO IN SITU DAS PILHAS DO XINGU E MONJOLO.....................85
4.4.1 - Localização dos pontos para a realização dos ensaios.......................................................85
4.4.2 - Valores das massas específicas secas (r ) e massas específicas dos grãos (r )...............87
d s
4.4.3 - Curvas granulométricas....................................................................................................88
4.4.4 - Composição química.......................................................................................................90
4.5 - ESTUDOS COMPLEMENTARES DE CARACTERIZAÇÃO.............................................
IN SITU: MICROSCOPIA ÓTICA E DIFRATOMETRIA DE RAIO X...........................91
4.5.1 - Microscopia Ótica...........................................................................................................91
4.5.1.1 - Coleta do material para microscopia ótica.....................................................................91
4.5.1.2 - Preparação das amostras para a realização da microscopia ótica...................................92
4.5.1.3 - Resultados da microscopia ótica....................................................................................93
4.5.2 - Difratometria de Raio X...................................................................................................98
4.6 - CARACTERIZAÇÃO DA PERMEABILIDADE IN SITU.............................................101
4.6.1 - Validade do ensaio de permeabilidade in situ .................................................................102
4.6.2 - Programação de ensaio de permeabilidade in situ ...........................................................102
4.6.3 - Estimativas do coeficiente de permeabilidade por Hazen e Terzaghi.................................103
4.6.4 - Ensaios de infiltração em furos de sondagem nas pilhas do Xingu e Monjolo....................106
4.7 - CARACTERIZAÇÃO DOS REJEITOS REPRESENTATIVO DAS PILHAS DO
XINGU E MONJOLO.....................................................................................................110
4.7.1 - Análises granulométricas dos materiais X e M.................................................................110
4.7.2 - Determinação da massa específica seca máxima e mínima em laboratório e
da massa específica dos grãos dos materiais X e M........................................................111
4.7.3 - Caracterização química dos materiais X e M..................................................................114
4.7.4 - Avaliação inicial do comportamento dos rejeitos X e M..................................................115
4.8 - ENSAIOS DE RESISTÊNCIA COM OS REJEITOS REPRESENTATIVOS DAS
PILHAS DO XINGU E MONJOLO................................................................................115
4.8.1 - Medida de resistência ao cisalhamento de solos granulares em laboratório.......................115
4.8.2 - Ensaios de cisalhamento direto nos rejeitos X e M..........................................................116
ix
4.8.3 - Ensaios de compressão triaxial adensado drenado (TCD)...............................................120
4.8.4 - Ensaios de compressão triaxial adensado não drenado (TCU)........................................124
4.9 - ENSAIOS DE LABORATÓRIO DE PERMEBILIDADE A CARGA
CONSTANTE NOS REJEITOS X E M..........................................................................127

5 - ANÁLISES DA VARIABILIDADE DOS DADOS EM FUNÇÃO
DA DEPOSIÇÃO HIDRÁULICA......................................................................................128
5.1 - INTRODUÇÃO..............................................................................................................128
5.2 - TEOR DE FERRO E MASSA ESPECÍFICA DOS GRÃOS...........................................129
5.3 - DISTÂNCIA DO PONTO À CRISTA E POROSIDADE..............................................132
5.4 - DISTÂNCIA DO PONTO À CRISTA E MASSA ESPECÍFICA DOS
GRÃOS E TEOR DE FERRO..........................................................................................133
5.5 - DISTÂNCIA DO PONTO À CRISTA E MASSAS DAS PARTÍCULAS......................135
5.6 - DISTÂNCIA DO PONTO À CRISTA E COEFICIENTE DE NÃO
UNIFORMIDADE CU, RAZÃO D90/D10 E PORCENTAGEM DE FINOS................138
5.7 - COEFICIENTE DE VARIAÇÃO...................................................................................142
5.8 - MATERIAL REPRESENTATIVO DAS PILHAS DO XINGU E
DO MONJOLO...............................................................................................................143

6 - ANÁLISE ESTATÍSTICA DOS DADOS..........................................................................144
6.1 - INTRODUÇÃO..............................................................................................................144
6.2 - AMOSTRAGEM ALEATÓRIA......................................................................................145
6.2.1 - Amostragem Aleatória Simples na pilha do Xingu...........................................................146
6.2.2 - Amostragem Aleatória Simples na pilha do Monjolo.......................................................147
6.3 - ANÁLISE ESTATÍSTICA DA POROSIDADE..............................................................149
6.3.1 - Introdução.....................................................................................................................149
6.3.2 - Análise com os dados amostrais da porosidade..............................................................151
6.4 - ANÁLISES DE REGRESSÃO E CORRELAÇÃO.........................................................156
6.4.1 - Análise de regressão linear da massa específica dos grãos
versus teor de ferro.......................................................................................................157
6.4.2 - Correlação dos parâmetros de permeabilidade obtidos em laboratório............................160
6.4.3 - Correlação dos parâmetros de resistência obtidos em laboratório...................................168
6.4.3.1 - Modelo de correlação entre ângulo de atrito efetivo e porosidade................................170
6.4.3.2 - Testes estatísticos para verificação da adequação do modelo de regressão
entre ângulo de atrito efetivo e porosidade..................................................................175
6.4.3.3 - Valores estimados dos ângulos de atrito efetivos..........................................................177
6.4.4 - Correlações com o módulo de deformabilidade secante a 50% da
tensão de pico..............................................................................................................177
6.5 - TESTE DE IGUALDADE DAS MÉDIAS POPULACIONAIS DOS ÂNGULOS
DE ATRITO EFETIVOS................................................................................................181

7 - ANÁLISES PROBABILÍSTICAS DE ESTABILIDADE E
AVALIAÇÃO DO POTENCIAL DE LIQUEFAÇÃO......................................................185
7.1 - INTRODUÇÃO..............................................................................................................185
7.1.1 - Análises probabilísticas..................................................................................................185
7.1.2 - Análises probabilísticas de estabilidade e avaliação do potencial
x