Caracterização de Resíduos de Mineração através de Ensaios de Piezocone

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1 Caracterização de Resídos de Mineração através de Ensaios de Piezocone Jcélia Bedin e Emanele Amanda Gaer Universidade Federal do Rio Grande do Sl, Porto Alegre RS, Brasil RESUMO: O lançamento direto em reservatórios contidos por diqes consiste na forma mais comm de disposição dos resídos de mineração em sperfície. O armazenamento do resído também é realizado por constrção de áreas por alteamentos scessivos à montante, desaconselhada em algns países. Um fator fndamental para avaliação do comportamento global das áreas de deposição está na caracterização dos resídos de mineração através da determinação granlométrica, mineralógica e de ses parâmetros geotécnicos (resistência, deformabilidade e condtividade hidrálica). Porém, a composição predominantemente intermediária da granlometria dos resídos e as conseqüentes dificldades associadas ao processo de coleta e moldagem de amostras indeformadas, dificltam a caracterização destes materiais em laboratório. Bscando redzir as incertezas associadas a projetos de depósitos de resídos, o presente trabalho concentra na avaliação da potencialidade de tilização de ensaios de campo, particlarmente de piezocone (CPTU), em áreas de resídos de mineração. PALAVRAS-CHAVE: Resídos de mineração, Piezocone, Caracterização, Resistência ao cisalhamento. 1 INTRODUÇÃO A estabilidade estrtral de depósitos de resídos de minério é m problema relevante na engenharia geotécnica. As propriedades físicas e mecânicas destes depósitos dependem do tipo de minério depositado, processo de prodção do resído, tipo de deposição, local e idade da jazida. Portanto, sas características físico-qímicas e mineralógicas são bastante variáveis. Os materiais analisados são provenientes do processamento indstrial de minerais necessário à extração do almínio, oro e ferro. As campanhas de investigação geotécnica nas áreas de deposição dos resídos consistiram na realização de ensaios de campo, especialmente de piezocone. Este trabalho apresenta algmas das características de comportamento e caracterização destes resídos a partir de ensaios de piezocone. 2 ENSAIO DE PIEZOCONE Ensaios de campo são de reconhecida tilidade na determinação das propriedades de resistência, deformabilidade e condtividade hidrálica dos solos. A rapidez de execção possibilita a realização de campanhas completas, ajstes e eventais modificações no planejamento, obtendo economia e flexibilidade nos programas de investigação geotécnica (Lancellota, 1995). Dentre as várias metodologias e técnicas de investigação in sit disponíveis, destacam-se os ensaios de cone e piezocone, conhecidos pelas siglas CPT (Cone Penetration Test) e CPTU (Piezocone Penetration Test) respectivamente. No ensaio de piezocone são continamente medidas as segintes grandezas: resistência de ponta (q c ), atrito lateral (f s ) e poro pressão gerada (). A partir desses valores são determinados dois parâmetros fndamentais para identificação do tipo de solo, razão de atrito (R f ) e parâmetro de poro pressão (B q ), (Lnne et al, 1997; Schnaid, 2). Adicionalmente são realizados ensaios de dissipação de poro pressões para determinação dos coeficientes de adensamento horizontal e vertical (C h e C v ). 2.1 Caracterização Geotécnica Na caracterização dos resídos serão apresentadas algmas análises desenvolvidas a partir dos resltados dos ensaios de piezocone realizados em áreas de deposição. O objetivo destas avaliações consiste na determinação da classificação textral dos depósitos de resídos, fndamental na avaliação de se comportamento.

2 2.1.1 Classificação Textral As classificações textrais de solos em depósitos natrais o de resídos, bsca identificar a ocorrência de estratos e lentes de materiais heterogêneos. A presença destas lentes no interior dos depósitos representa ma importante condicionante para avaliação das características de resistência e das condições de flxo das áreas de deposição do resído. Nas Figras 1 a 4 são apresentados perfis típicos de resltados de ensaios de piezocone, em qe representa-se a variação de q t,, o, B q e R f verss a profndidade. Na Figra 1 e 2 apresenta-se os resltados realizados em 5 estações distintas distribídas ao longo de áreas de deposição de resídos de baxita. Como as estações 2 e 3 apresentaram comportamento distinto, por estarem sitadas próximas a torres de despejo do resído, ses resltados foram plotados em separado. Na Figra 3 são apresentados resltados de m depósito de resído de minério de oro e na Figra 4 os resltados são referentes a m deposito de resído de ferro. O resído de baxita apresento características semelhantes nas estações 1,4 e 5, com valores de resistência e excessos de poro pressões crescendo monotonicamente com a profndidade. São também observados picos drenantes ao longo de praticamente todo o perfil, qe devem estar associados a mdanças no ponto de descarga das linhas de resído, formando lentes de materiais arenosos devido ao processo de segregação hidrálica. O comportamento do resído nestas seções é também identificado através da observação dos perfis do parâmetro B q, qe apresenta valores dispersos até os 6 metros de profndidade, mas, a partir desta profndidade, caracteriza-se por m valor médio de.6, com oscilações entre.3 e.8 prodzidas pelas lentes de diferentes materiais. A análise conjnta dos resltados indica m padrão de variação de resído com a profndidade, com a identificação de material predominantemente silto-argiloso. Nas estações 2 e 3, observa-se a presença de m perfil estratigráfico formado por camadas de materiais compressíveis intercaladas a camadas compostas por materiais heterogêneos e mais resistentes. O gráfico de resistência indica oscilações ao longo do perfil, identificando m material silto-arenoso a partir dos 4 m.o resído da operação de alteamento a montante, referente aos 4 m iniciais, nestas estações, não é arenoso, pois o lançamento se de apenas pelas bordas. Na análise dos perfis de poro pressão dinâmica () e parâmetro de poro pressão (B q ) observo-se qe não hove geração de excesso de poro pressão após os 4 m de profndidade. 5 q t (KPa) EST 1 EST 4 EST 5 3, o (KPa) o(est 4, EST5 o(est 1) B q -,2,,2,4,6,8 1, 5 R f (%), 1, 3, 5, 7, Figra 1: Resltados dos ensaios de piezocone, estações sitadas distantes dos pontos de despejo do resído de baxita. 5

3 q t (KPa), o (KPa) EST 2 EST o(est 3,EST4) B q -,2,,2,4,6,8 1, 5 R f (%), 1, 3, 5, 7, 5 Figra 2: Resltados dos ensaios de piezocone, estações sitadas próximas dos pontos de despejo do resído de baxita. qt (KPa) Ensaio 1 Ensaio 2 Ensaio 3 5 3, o (KPa) ' o Bq -,2,,2,4,6,8 1, 5 R f (%), 1, 3, 5, 7, 5 Figra 3: Resltados do ensaio de piezocone - resído de minério de oro. Figra 4: Resltados do ensaio de piezocone - resído de minério de ferro. (adaptados de Albqerqe Filho, 24). Os resltados obtidos para o resído de minério de oro apresentaram condições de grande variabilidade de resistência em fnção da profndidade, bem como considerável heterogeneidade espacial de propriedades. A variação de comportamento fica claramente

4 identificada através da observação dos perfis de B q. Observa-se a presença de ma camada menos permeável entre 6 e 9 m cjos valores de B q são da ordem de.6 a.8, típicos de argilas normalmente adensadas, enqanto em otras profndidades são inferiores a.3 (correspondentes a silte-areno-argiloso). Os ensaios no resído de ferro foram realizados por Albqerqe Filho (24). O ator, em visita a UFRGS, destaco a grande geração de poro pressões encontradas ao longo de praticamente todo o perfil, com valores de resistência crescentes com a profndidade. Valores de B q apresentaram m valor médio de,3. A análise conjnta dos perfis de resistência de ponta, razão de atrito e do parâmetro de poro pressão indico m depósito de resídos com comportamento concordante à faixa silto-areno-argilosa. A identificação de m padrão de comportamento granlométrico dos resídos em geral é bastante complexa devido a fatores como forma de disposição no reservatório, processo de segregação hidrálica, condições de adensamento e diferentes condições na realização das campanhas. Pode se-dizer qe o resído depositado em reservatório possi ma granlometria fina, intercaladas a lentes arenosas, com considerável excesso de poro pressões ao longo da profndidade Avaliação do Processo de Segregação Hidrálica A segregação hidrálica gera considerável variabilidade estrtral, alterando os parâmetros de resistência, deformabilidade e condtividade hidrálica. A forma de deposição do resído provoca seleção das partíclas e sa conseqüente deposição em diferentes locais ao longo da trajetória do flxo. De maneira geral, os grãos lançados hidralicamente no reservatório tendem a se depositar nas proximidades dos pontos de descarga, sendo o processo de seleção m fenômeno complexo, pelo fato das características mineralógicas dos resídos serem diferentes. Desta forma, o processo de seleção (segregação) pode ocorrer em fnção do tamanho dos grãos o em fnção do peso. Esse fenômeno de segregação pode ser identificado nos dois diferentes resídos da Figra 5. Na Figra 5a é apresentado os perfis de q t,, o das 5 estações de ensaio no resído de baxita. Nota-se boa drenagem e valores elevados de resistência de ponta qando decorrência de material mais arenoso, com a aproximação dos pontos de descarga dos resídos, estações 2 e 3. Sendo o processo de seleção dos grãos em fnção do tamanho das partíclas. Na Figra 5b é apresentado m perfil conjnto de q t e R f do depósito de resído de ferro. Á analise destes gráficos permite identificar ma tendência de amento da resistência de ponta e diminição dos valores de atrito com o afastamento dos pontos de descarga do resído (Praia 2). Sendo o processo de seleção das partíclas dado pelo peso, decorrente da composição essencialmente formada por partíclas de ferro qe apresentam textra mais fina e elevada densidade dos grãos. Resistência de ponta (kpa) Poro pressão (KPa) ' EST 1 o(est 4,EST5) EST 2 EST 3 o(est 1) EST 4 EST o(est 2,EST3) a b Figra 5: Perfis integrados de resídos de minério de baxita e ferro.

5 2.2 PARÂMETROS GEOTÉCNICOS Os parâmetros geotécnicos analisados são a resistência ao cisalhamento, o coeficiente de adensamento do resído Resistência ao Cisalhamento dos Resídos O aspecto central ao projeto de áreas de deposição de resídos é a inflência da drenagem na estimativa dos parâmetros constittivos de resídos na previsão da resistência ao cisalhamento. Ensaios de piezocone só podem ser interpretados qando assegradas condições não-drenadas (em termos de tensões totais) o perfeitamente drenadas (em termos de tensões efetivas). Neste trabalho, a resistência ao cisalhamento será interpretada à lz de abordagens empíricas já consagradas na prática. Nestas abordagens, valores de B q inferiores a,3 são indicativos de comportamento drenado o parcialmente drenado do resído drante a penetração, e valores de B q speriores a,3 são considerados como indicativos de comportamento não-drenado (e.g. Schnaid, 24). Valores de S obtidos nos ensaios de palheta foram tilizados para calclar valores de N kt necessários à interpretação dos ensaios de piezocone. A Figra 6 mostra a variação da resistência com a profndidade nas estações 1,4 e 5 do resído de baxita, indicando ma tendência de acréscimo ligeiramente não linear. Os resltados mostram m maior crescimento de resistência para profndidades speriores a 8,m. Na sperfície do resído apresenta baixos valores de S. Ainda na Figra 6 é apresentada a variação de S com a tensão efetiva vertical, onde observa-se ma relação S / σ vo entre,25, e,35 típico de depósitos siltosos NA. S (KPa) EST 1 - Baxita EST 4 - Baxita EST 5 - Baxita NKt=13,5 5 S (KPa) S =,35.σ vo 2 22 S =,25.σ vo ' 24 Figra 6: Variação de valores de S com a profndidade e de S com σ vo resído de baxita. No caso de ensaios de piezocone em materiais de comportamento drenado, o ânglo de atrito interno dos resídos pode ser estimado a partir de correlações empíricas (Robertson e Campanella; 1983) o através de correlações estabelecidas com base em teorias de capacidade de carga (Sanneset e Sanden, 1988). As estações qe apresentaram valores de B q inferiores a.3, realizo-se o cálclo da resistência em termos de tensões efetivas cjos resltados são apresentados na Tabela 1. Os valores apresentaram ma variação na faixa entre 3 e 39º para o resído de baxita, entre 26 e 28 para o resído de ferro e ma faixa mais ampla para o resído de oro, entre 24 e 36. Tensão efetiva vertical (KPa) Tabela 1: Determinação do ânglo de atrito interno φ (gras). φ (gras) Estação - Resído Prof. (m) Robertson e Campanella Senneset e otros EST 2- Baxita EST 3- Baxita 3, EST 1- Oro, EST 2- Oro, EST 3- Oro, Praia 1 - Ferro

6 2.2.2 Estimativa do Coeficiente de Adensamento Em algmas das verticais ensaiadas, foram realizados ensaios de dissipação do excesso de poro pressões geradas drante a cravação do piezocone, qe são elementos importantes na interpretação das condições de contorno das áreas de deposição do resído. Exemplos típicos da crva de dissipação nos depósitos de resído é mostrados na Figra 7. Observa-se geração expressiva de poro pressão na cravação segido de rápida dissipação. A Tabela 2 apresenta m resmo dos valores médios dos coeficientes de adensamento obtidos nos ensaios de dissipação nos resídos baxita, oro e ferro. Os valores de Cv obtidos são próximos para os 3 resídos de mineração, compreendendo ma faixa entre 1,65 x1 e 3,75 x 1 Tabela 2: Valores médios de coeficientes adensamento obtidos em campo e laboratório e obtidos na literatra. Tipo e Origem do Faixa de valores o valores médios. resído C h (PA) cm²/s C v (NA) cm²/s (resído de baxita) 1,75 x1 1,65 x1 (resído de ferro) 5,2 x1 3,75 x 1 (resído de oro) 7,9 x1 2,85 x 1 Poropressão (kpa) o Tempo (s) Figra 7: Crva típica de dissipação da poro pressão realizada na área do resído de baxita. dos resídos. O projeto geotécnico apresentado ilstra a tilidade do ensaio de piezocone na solção de problemas de estabilidade em resídos de mineração, já qe fornece resltados precisos da estratigrafia e das condições de flxo e drenagem, bem como permite ma estimativa dos parâmetros de projeto. A interpretação dos resltados de ensaios deve, no entanto, ser realizada com critério e jlgamento, ma vez qe as correlações propostas na literatra foram estabelecidas em materiais sedimentares com características físicas, granlométricas e mineralógicas definidas. A estratificação acentada destes depósitos dificlta a interpretação e o estabelecimento de condições de contorno qe favoreçam ma análise racional de resltados AGRADECIMENTOS As atoras agradecem aos professores Fernando Schnaid e Leandro de Mora Costa Filho pela orientação deste trabalho. Agradecimento especial a LPS Consltoria e Engenharia LTDA, pela disponibilização dos resltados analisados neste trabalho REFERÊNCIAS Bedin, J, (26) - Interpretação de Ensaios de Piezocone em Resídos de Baxita. Dissertação de mestrado, Universidade Federal do Rio Grande do Sl.15p. Danziger, F.A.B.; Schnaid,F., (2) - Ensaios de Piezocone: Procedimentos, recomendações e interpretação - In: Seminário Brasileiro de Investigação de Campo, BIC, 2, São Palo. Seminário de Engenharia de Fndações Especiais e Geotecnia, SEFE IV: ABMS, 2, Vol 3, p Lancellota, R. (1995). In sit investigations. In: Geotechnical Engineering. Balkema, Rotterdam, 436 p. Lnne, T. Robertson, P. & Powell, J. (1997) Cone Penetration Testing in Geotechnical Practice. Schnaid, F.; Lehane, B.M. & Fahey. M. (24). In sit test characterization of nsal geomateriais, 2nd Int. Conf. on Site charact. Milpress, Porto,Vol.1, p CONCLUSÕES A investigação geotécnica baseada em ensaios de piezocone possibilita ma avaliação das características dos depósitos, bem como a estimativa de propriedades de comportamento