Análise de vibrações, poropressões e potenciais de liquefação induzidos por ações dinâmicas de equipamentos de construção em rejeitos de mineração

Abstract

Resumo: Barragens de rejeito alteadas pelo método de montante, com disposição hidráulica desses materiais, tem a sua estabilidade dependente da resistência dos próprios rejeitos, sendo vulneráveis ao fenômeno da liquefação, que ocorre devido ao acréscimo elevado de poropressões e a redução significativa das tensões efetivas em materiais fofos ou moles. Os carregamentos ou gatilhos relacionados a liquefação dos materiais podem ser estáticos ou dinâmicos, sendo os dinâmicos relacionados com vibrações, que podem ter origem em eventos sísmicos naturais, a detonação de explosivos e, também, podem ter origem no tráfego de equipamentos de construção, que geram vibrações em diferentes níveis para cada tipo e porte de equipamento. Já se dispõem na literatura de estudos dos efeitos das vibrações em rejeitos propiciadas por sismos ou detonações de explosivos, como os apresentados por Veyera (1985), Matasovic e Kavazanjian Jr (2006), Charlie et. al (2013), Larson-Robl (2016), Ishimwe, Coffman e Rollins (2020), entre outros, porém poucos ou nenhum tratam especificamente da avaliação dos efeitos provenientes das vibrações geradas pelo tráfego de equipamentos, sendo este um assunto recente e necessário devido a obrigatoriedade da descaracterização das barragens de rejeito alteadas a montante, em atendimento às legislações (ANM 13/2017 e 95/22), após as rupturas ocorridas nos últimos anos. A descaracterização pode envolver o reforço ou a remoção das estruturas, sendo inevitável a geração de vibrações com os equipamentos de construção. Neste contexto, este trabalho apresenta uma análise das vibrações, poropressões e potenciais de liquefação em rejeitos de mineração devido ao tráfego de equipamentos, com base em testes de campo instrumentados realizados no reservatório de uma barragem de rejeitos, onde trafegaram diferentes tipos de equipamentos, com elevação gradual de pistas experimentais. Foram observadas os comportamentos específicos das vibrações e poropressões de cada equipamento, as correlações entre eles, com elaboração de matrizes, modelos e equações que correlacionam as duas grandezas e as demais variáveis envolvidas. Dado o comportamento distinto de cada equipamento, foram propostos modelos de correlação individualizados da variação da poropressão ([Delta]u ou du) e razão de poropressão (PPR ou ru) com a velocidade de vibração de partícula de pico (PPV). Também foi proposta uma equação empírica geral, para todos os equipamentos, da razão de poropressão (PPR ou ru) com PPV, tensão efetiva ([Sigma]'v0) e peso do equipamento (P), que se mostraram influentes nas análises realizadas. Esta equação foi comparada com os testes e modelos idealizados pra detonações de explosivos, de forma geral, e para cada equipamento em específico, mostrando melhor convergência e adaptabilidade ao fenômeno analisado, destacando-se as diferenças ou erros que podem ser gerados na adoção de modelos para outras finalidades. Analisou-se, também, o potencial de liquefação dos rejeitos para os testes realizados, onde verificou-se que com 1,0m de altura de pista experimental ou lastro de conquista, se afastam os riscos desse processo. Considera-se que o estudo apresentado contribui para o entendimento do fenômeno analisado e pode ser utilizado para orientar e prever condições seguras de trabalhos de campo em obras com tipos de materiais e equipamentos semelhantes, sempre com instrumentação e monitoramento adequados. Ressalta-se, por fim, a necessidade de aprofundamento com mais testes em diferentes materiais de fundação para generalizar sua aplicação

Abstract: Upstream-raised tailings dams, with hydraulic deposition of these materials, have their stability dependent on the strength of the tailings themselves, making them vulnerable to the phenomenon of liquefaction. This occurs due to a significant increase in pore pressures and a substantial reduction in effective stresses in loose or soft materials. The loads or triggers related to the liquefaction of the materials can be static or dynamic, with dynamic loads associated with vibrations that may originate from natural seismic events, explosive detonations, or from construction equipment traffic, which generates vibrations at varying levels depending on the type and size of the equipment. The literature already contains studies on the effects of vibrations in tailings caused by seismic events or explosive detonations, such as those presented by Veyera (1985), Matasovic and Kavazanjian Jr. (2006), Charlie et al. (2013), Larson-Robl (2016), Ishimwe, Coffman, and Rollins (2020), among others. However, few or none specifically address the evaluation of the effects from vibrations generated by equipment traffic, which is a recent and necessary subject due to the mandatory decharacterization of upstream-raised tailings dams, in compliance with regulations (ANM 13/2017 and 95/22), following the ruptures that have occurred in recent years. Decharacterization may involve either reinforcement or removal of the structures, making the generation of vibrations by construction equipment inevitable. In this context, this study presents an analysis of vibrations, pore pressures, and liquefaction potential in mining tailings due to equipment traffic, based on instrumented field tests conducted in the reservoir of a tailings dam, where different types of equipment operated on gradually elevated experimental tracks. The specific behaviors of vibrations and pore pressures generated by each piece of equipment were observed, along with correlations between them. Matrices, models, and equations were developed to correlate these two variables with other involved factors. Given the distinct behavior of each piece of equipment, individualized correlation models were proposed for the variation of pore pressure ([Delta]u or du) and pore pressure ratio (PPR or ru) with peak particle velocity (PPV). Additionally, a general empirical equation was proposed for all equipment, correlating the pore pressure ratio (PPR or ru) with PPV, effective stress ([Sigma]'v0), and equipment weight (P), which were shown to be influential in the analyses conducted. This equation was compared with tests and models designed for explosive detonations, both in general and for each specific piece of equipment, demonstrating better convergence and adaptability to the phenomenon under study, highlighting the differences or errors that can arise when adopting models designed for other purposes. The liquefaction potential of the tailings was also analyzed for the tests conducted, where it was found that with a 1.0-meter height of the experimental track or foundation fill, the risks of this process are mitigated. It is considered that the presented study contributes to the understanding of the analyzed phenomenon and can be used to guide and predict safe working conditions in field operations involving similar materials and equipment, always with appropriate instrumentation and monitoring. Lastly, the need for further research with more tests on different foundation materials is emphasized to generalize its application