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Dissertação de Mestrado CARACTERIZAÇÃO LITOESTRUTURAL E PARAMETRIZAÇÃO GEOMECÂNICA DAS SUPERFÍCIES DE RUPTURA EM TALUDES DA MINA DE N4E. CARAJÁS – PA. AUTOR: GILVAN SÁ ORIENTADOR: Prof. Dr. Rodrigo P. de Figueiredo CO-ORIENTADOR: Dr. Fábio Soares Magalhães MESTRADO PROFISSIONAL EM ENGENHARIA GEOTÉCNICA DA UFOP OURO PRETO - MAIO DE 2010

Dissertacao Gilvan

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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)

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    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

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    DEDICATRIA

    Dedico esta obra a minha amada famlia, Karina, Lucas e Leandra e aos meus amados pais Ivan e Erna.

  • 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

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    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.

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    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).

  • 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).

  • 45

    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

  • 47

    tenses efetivas e reduz a resistncia ao cisalhamento;

    h considerveis perdas de acesso em