Modelagem em poroelasticidade não linear do ensaio de palheta em rejeitos de mineração

Abstract

O ensaio de palheta é provavelmente o método de investigação in situ mais utilizado para estimar a resistência não drenada de solos argilosos. Contudo, sua aplicação em solos de permeabilidade intermediária, como siltes e rejeitos de mineração, apresenta incertezas. Caso o ensaio ocorra sob drenagem parcial, a resistência obtida será superior à resistência não drenada u S , parâmetro fundamental na avaliação geotécnica de empreendimentos. O presente trabalho visa empregar um modelo em poroelasticidade não linear que simula a rotação de um cilindro rígido em um meio poroelástico não linear, uma simulação do ensaio de palheta, de modo a interpretar as condições de drenagem em materiais de permeabilidade intermediária. Inicialmente, uma nova função de distribuição de poropressão inicial é proposta de modo a atender as condições de contorno hidráulicas do problema, complementando o modelo numérico. O modelo é então validado através de resultados para solos de baixa permeabilidade, onde se demonstra que o ferramental numérico é adequado para avaliarem-se os efeitos da taxa de rotação nos resultados obtidos experimentalmente pelo ensaio de palheta. Uma normalização através da velocidade adimensional v / k é proposta para a interpretação dos efeitos da velocidade de rotação nas curvas características de drenagem e torque desenvolvido. A influência da resistência, rigidez e do tamanho da zona de influência do material é avaliada numericamente através de uma análise paramétrica, buscando-se a influência destes parâmetros no grau de drenagem * U e no torque desenvolvido. Por fim, as predições do modelo são confrontadas com resultados experimentais do ensaio de palheta em rejeitos de mineração de zinco, comparando o torque obtido e obtendo-se as curvas características de drenagem. Demonstra-se que o modelo é capaz de capturar a tendência experimental e que a velocidade padrão do ensaio não é suficiente para atingir condições não drenadas de cisalhamento neste material, superestimando a magnitude de u S .

The field vane test is probably the most common in situ investigation technique used to estimate the undrained shear strength of clayey soils. However, its application in intermediate permeability soils, such as silts and mining tailings, presents uncertainties. If the test occurs under partial drainage, the measured resistance will be higher than the undrained shear strength u S , a fundamental parameter in the evaluation of geotechnical projects. The present work aims to employ a nonlinear poroelastic model that simulates the rotation of a rigid cylinder in a nonlinear poroelastic medium, a simplified approach of the vane test, in order to obtain the drainage conditions of shearing in intermediate permeability materials. Firstly, a new initial pore pressure distribution function is proposed in spite of meeting the hydraulic boundary conditions of the problem, complementing the numerical model. The model is then validated through experimental data in low permeability soils, where the results show that the model proposed is adequate to evaluate the rotation rate effects on the results obtained experimentally. Normalization through the dimensionless velocity v / k is proposed for the interpretation of rate effects in the characteristic drainage curves and torque developed. The influence of material strength, stiffness, and size of the influence zone is evaluated numerically through a parametrical analysis, seeking the influence of these parameters on the drainage degree * U and the soil resistance. Finally, the model predictions are compared with experimental results of field vane tests in zinc mining tailings, comparing the measured torque and presenting the characteristic drainage curves obtained numerically. It is demonstrated that the model is able to capture the experimental trend and that the standard vane velocity is not suitable to reach undrained shear conditions in this material, overestimating the magnitude of u S .