Ensaios de campo aplicados aos rejeitos finos

A obtenção da compressibilidade ‘in situ’, quando representativa, é relativamente atrativa, pois os resultados representam as condições reais de estocagem, onde são obtidos os perfis diretos das variações das tensões efetivas, índices de vazios e permeabilidades do rejeito com a profundidade.

No Brasil, Villar (1990) desenvolveu a primeira sonda piezométrica dedicada ao estudo da compressibilidade ‘in-situ’ de rejeitos finos de mineração, e capaz de medir poropressões, com transdutor de pressão associado a um sistema de aquisição de dados

com resolução de 0,05 kPa. O autor implementou uma metodologia de acompanhamento do comportamento de resíduos industriais depositados sob a forma de lama. O material analisado foi a lama vermelha, rejeito de processamento da bauxita para a extração da alumina. O equipamento incorporou também um aparato aplicado à extração de amostras em várias profundidades, possibilitando a determinação dos teores de umidade e o cálculo dos índices de vazios e massas específicas dos grãos. A técnica proposta pelo autor serviu como referência para o desenvolvimento de outros trabalhos, inclusive este. Além de Villar (1990), dentre os diversos estudos associados à investigação de campo com a sonda piezométrica e ao desenvolvimento de tecnologia aplicada aos procedimentos de sondagem, são destacados trabalhos como de Campos et al. (1991), de Campos et al. (1998), Gomes (1998), Santos (2001), Villar (2002) e Pereira e Gomes (2012).

As sondas piezométricas são geralmente tubulares, com barras roscáveis entre si, em cuja base (sonda-torpedo) é instalado um mini transdutor de pressão, responsável por registrar as poropressões ao longo da cravação do equipamento sobre o reservatório de rejeitos, que geralmente ocorre com o apoio de uma balsa. As pontas são cônicas para propiciar a cravação, podendo ser de 18o (Villar, 1990), mostrada na Figura 2.13, ou de 60o (padrão internacional utilizado no CPTU), conforme destacado por Villar (2002).

Figura 2.13 – Desenho esquemático da sonda piezométrica com ponta de 18o desenvolvida por Villar (1990) citado por Villar (2002)

Gomes (1998), buscando avaliar as características de compressibilidade e adensamento de rejeitos finos de bauxita no município de Ouro Preto, a partir de uma campanha de investigação com ensaios de campo, realizou análises específicas relacionadas à formulação de um modelo global de deposição dos materiais estudados. De acordo com o autor, os estudos particularizados permitiram uma avaliação mais consistente do modelo de deposição dos rejeitos, com uma abordagem mais racional da vida útil do reservatório. Além disso, os estudos forneceram elementos adicionais que evidenciaram a necessidade de superação de problemas associados às metodologias convencionais comumente adotadas em ensaios oedométricos de laboratório (consolidômetros tipo CRD), por exemplo, especialmente as adversidades vinculadas ao tempo de execução do ensaio.

Santos (2001) estudou o comportamento em termos de compressibilidade e permeabilidade de um rejeito de bauxita da barragem de Marzagão, visando a obtenção de relações constitutivas com ensaios de campo, comparando-os aos resultados de laboratório. Para tanto, foi construída uma sonda em aço inoxidável, com ponta cônica de 60º. Os resultados obtidos, em termos de compressibilidade, foram considerados consistentes e confiáveis. A autora enfatizou, no entanto, incoerências relacionadas aos resultados das relações de permeabilidade, quando avaliados à luz da teoria das grandes deformações.

Villar (2002), em estudos de diversas amostras de lamas vermelhas de bauxita, para diferentes estações de investigação, estabeleceu relações de compressibilidade e permeabilidade para os diferentes materiais. A metodologia empregada pelo autor na determinação da compressibilidade, com as técnicas relacionadas aos ensaios de campo, foi descrita como simples e eficiente. Assim como enfatizado por Gomes (1998), Villar (2002) destaca a importância do procedimento na obtenção de parâmetros mais adequados para o acompanhamento do comportamento final do depósito, sugerindo, inclusive, a possibilidade de uma avaliação rotineira nos locais de disposição deste tipo de rejeito. Ressalta-se adicionalmente, a proximidade das leis de compressibilidade obtidas em campo com os resultados de laboratório apresentados, particularmente com aqueles relacionados ao adensamento com taxa de carregamento controlada (CRD), para os materiais estudados.

Já no contexto da obtenção das características de permeabilidade, Villar (2002) destaca a razoabilidade das estimativas iniciais de campo, mas considera a escassez de pontos como um provável impedimento para a realização de interpretações mais consistentes, considerando os modelos teóricos mais comumente ajustáveis.

 Estimativa da permeabilidade a partir dos resultados de campo

Apesar de envolver várias hipóteses questionáveis (Santos, 2001; Villar, 2002), visto a incoerência com a teoria das grandes deformações, a estimativa do coeficiente de permeabilidade tem sido feita a partir da consideração do coeficiente de adensamento, o mesmo obtido nos ensaios oedométricos (Equação 2.10). Considerando as condições de isotropia em termos de compressibilidade (mv = mh) do material, e o coeficiente de adensamento horizontal (ch), a equação pode ser reescrita para a permeabilidade na direção horizontal (Equação 2.11).

(2.10)

(2.11)

Sendo:

kv e kh: coeficientes de permeabilidade vertical e horizontal, respectivamente;

cv e ch: coeficientes de adensamento vertical e horizontal, respectivamente;

mv: coeficiente compressibilidade volumétrica;

w: peso específico da água.

O coeficiente de compressibilidade volumétrica (mv) pode ser calculado a partir da consideração das Equações 2.12 e 2.13.

(2.13)

Sendo:

av: coeficiente compressibilidade;

e: índice de vazios;

’: tensão efetiva.

Com base nas equações apresentadas, torna-se necessário então estimar o coeficiente de adensamento horizontal com base nos ensaios de campo. Os procedimentos que envolvem a sua determinação utilizam análises das curvas de dissipação de poropressão obtidas durante a cravação da sonda piezométrica, nos diversos horizontes adotados na investigação. Os métodos mais comumente utilizados para intepretação são baseados em correlações empíricas ou aproximações originalmente previstas para ensaios CPTU, o que, muitas vezes, podem ser questionados, pois necessitam de uma razoável conformação das curvas de dissipação das poropressões, não muito comum para os níveis mais superficiais da sondagem piezométrica.

Citados originalmente por Robertson e Campanella (1984) e, posteriormente, por Santos (2001), são destacados como métodos de estimativa de permeabilidade as soluções teóricas de Torstenson (1977), Sodeberg (1962) e Baligh e Levodoux (1980). Este último também é descrito por Villar (1990) e aplicado por Santos (2001) e por Villar (2002) nos estudos de diversas amostras de lamas vermelhas de bauxita, para diferentes estações de investigação.

Baligh e Levadoux (1980) propuseram uma sequência empírica para a estimativa do coeficiente de adensamento horizontal, sendo necessário, inicialmente, um ajuste que leve em consideração a normalização dos registros de dissipação das poropressões obtidos em campo (Equação 2.14). Nota-se que, para garantia da qualidade e representatividade dos resultados estimados, é fundamental a obtenção de curvas com bons ajustes dos registros de poropressão.

(2.14)

Sendo:

u: poropressão para o tempo t considerando;

u0: poropressão de estabilização (equilíbrio);

ui: poropressão inicial registrada.

Obtidos os diferentes valores de u, estes devem ser plotados em função dos respectivos tempos t, em escala logarítmica, visando a comparação com as curvas teóricas de Baligh e Levadoux (1980). Neste caso, a comparação deve considerar o tipo de ponta cônica utilizada na sondagem (Figuras 2.14 e 2.15), onde o fator tempo (T) é determinado e, posteriormente, levado à Equação 2.15 para determinação do coeficiente de adensamento horizontal (ch)

Figura 2.14 – Curva fator tempo versus poropressão normalizada para ponta de 18º acoplada a soluções isotrópicas (Adaptado de Baligh e Levadoux, 1980)

Figura 2.15 – Curva fator tempo versus poropressão normalizada para ponta de 60º acoplada a soluções isotrópicas (Adaptado de Baligh e Levadoux, 1980)

(2.15)

Sendo:

ch: coeficientes de adensamento horizontal;

T e t: fator tempo;

R: raio do fuste da sonda utilizada;

t: tempo associado à dissipação.