Comportamento mecânico do minério de ferro sob carregamento monotônico e cíclico em condições planas de deformação

Abstract

O transporte marítimo de minério de ferro em navios graneleiros apresenta riscos associados à liquefação da carga armazenada, o que pode levar a mecanismos de desestabilização e consequentes perdas sociais e econômicas. Esse cenário é agravado pelas abordagens existentes para mitigar o potencial de liquefação de cargas que consideram o teor de umidade como variável-chave. Os mecanismos que desencadeiam a liquefação de cargas a granel não são bem compreendidos e, no caso do minério de ferro, uma das principais áreas de incerteza reside no conhecimento do seu comportamento geotécnico. Assim, o presente trabalho busca descrever o comportamento mecânico do minério de ferro sob carregamento monotônico e cíclico em condições planas de deformação. Foram realizados ensaios simple shear monotônicos e cíclicos com amostras de minério de ferro em diferentes estados de compacidade e tensões efetivas de confinamento. Para os ensaios monotônicos, as amostras densas apresentaram um pico de resistência, com a geração de poropressão positiva seguida da geração de poropressão negativa e a ocorrência da transformação de fase (phase transformation). As amostras fofas exibiram apenas geração de poropressão positiva e comportamento de amolecimento com as deformações (strain softening). Tanto a rigidez quanto o ângulo de atrito (39,1º a 33,8º) se mostraram inversamente proporcionais ao índice de vazios. Em relação aos ensaios cíclicos, para a razão de tensão cíclica 0,1, o material apresentou baixos níveis de deformação acumulada ao longo dos 1000 ciclos sem ocorrência de ruptura e exibiu resposta monotônica pós-cíclica similar à do carregamento monotônico direto. Para as razões de 0,2 e 0,3, verificou-se o fenômeno de mobilidade cíclica, com acúmulo progressivo de poropressão até a redução de tensão efetiva média a valores próximos de zero. Esse processo resultou na progressiva degradação da resistência e da rigidez do material, com o aumento das deformações cisalhantes e o surgimento de uma tendência de crescimento exponencial. Por fim, as trajetórias de tensões cíclicas atingiram a envoltória de resistência definida a partir dos ensaios monotônicos sob mesmo índice de vazios.

The maritime transportation of iron ore in bulk carriers presents risks associated with cargo liquefaction, which can lead to destabilization mechanisms and consequent social and economic losses. This scenario is aggravated by existing approaches to mitigating the liquefaction potential of cargoes, which consider moisture content as a key variable. The mechanisms triggering the liquefaction of bulk cargoes are not well understood, and in the case of iron ore, one of the main areas of uncertainty lies in the knowledge of its geotechnical behavior. Thus, this study aims to describe the mechanical behavior of iron ore under monotonic and cyclic loading conditions in a plane strain condition. Monotonic and cyclic simple shear tests were conducted on iron ore samples in different relative densities and effective confining stresses. In the monotonic tests, dense samples exhibited a peak strength, with the generation of positive excess pore pressure followed by negative pore pressure generation and the occurrence of phase transformation. Loose samples exhibited only positive pore pressure generation and strain softening behavior. Both stiffness and friction angle (ranging from 39.1º to 33.8º) were inversely proportional to the void ratio. Regarding the cyclic tests, for a cyclic stress ratio of 0.1, the material showed low levels of accumulated strain over 1000 cycles without failure and exhibited a post-cyclic monotonic response similar to direct monotonic loading. For cyclic stress ratios of 0.2 and 0.3, the phenomenon of cyclic mobility was observed, with a progressive accumulation of excess pore pressure until the mean effective stress decreased to values close to zero. This process resulted in the progressive degradation of strength and stiffness, with increasing shear deformations and the emergence of an exponential growth trend. Finally, the cyclic stress paths reached the failure envelope defined from the monotonic tests at the same void ratio.