A liquefação é um termo muito comumente associado a eventos sísmicos. Entretanto as rupturas ocorridas em estruturas de contenção de rejeitos demonstram que a liquefação estática é provavelmente o mecanismo de ruptura mais comum neste tipo de material. O enfoque desta dissertação é o estudo da liquefação estática de rejeitos granulares. Esta escolha está justificada ainda, pelo fato de o Brasil estar localizado em uma zona de baixa sismicidade.
Estruturas de terra formadas por solos suscetíveis à liquefação, tais como barragens e diques de rejeitos, podem permanecer estáveis por muitos anos e repentinamente romperem por liquefação. Quanto mais alto o dique e quanto mais inclinado for o talude, maior será a tensão cisalhante estática atuante e a probabilidade de ativação do gatilho da liquefação (Byrne, 2008a).
Davies et al. (2002) citam os seguintes gatilhos potenciais para a liquefação estática em barragens de rejeitos:
Aumento das poropressões induzido por uma subida da superfície freática.
Aumento das poropressões induzido por uma taxa de carregamento excessiva, como por exemplo devido a um rápido alteamento da barragem.
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Tensões cisalhantes estáticas atuantes ultrapassando a superfície de colapso, levando a uma liquefação espontânea.
Remoção da camada de suporte posicionada no pé da estrutura, promovida por galgamento da barragem ou por qualquer outra situação, aumentando as tensões cisalhantes atuantes.
Movimento da fundação rápido o suficiente para criar um carregamento não drenado em rejeitos suscetíveis ao colapso espontâneo.
Martin & McRoberts (1999) explicam que durante a subida da superfície freática no interior de uma barragem de rejeitos, a tensão efetiva média (p’) é reduzida enquanto a tensão cisalhante (q) é mantida constante. Esta situação pode ativar o gatilho da liquefação caso o novo estado de tensões, após a subida da linha freática, esteja posicionado acima da superfície de colapso. Este exemplo ilustra uma condição de carregamento drenado causando o gatilho da liquefação.
Por outro lado, caso a subida da linha freática seja rápida o suficiente para representar um carregamento não drenado, a possibilidade de ativação do gatilho da liquefação é influenciada pelo aumento da faixa de rejeitos suscetíveis à liquefação envolvida no problema.
A construção de diques ou aterros sobre uma fundação contendo rejeitos granulares fofos e saturados pode levar a aumentos rápidos nos níveis de tensões em condições não drenadas. Além disso o lançamento de rejeitos a montante destes diques, normalmente realizado pela técnica do aterro hidráulico, resulta no aumento da quantidade de rejeitos saturados dentro da estrutura (Davies et al., 2002).
Dentre os diversos tipos de barramentos para a contenção de rejeitos, aquele que apresenta a maior suscetibilidade à liquefação estática é o de alteamentos para montante.
No parágrafo a seguir está reescrita a afirmação de Casagrande & Maclvor (1970), assim como apresentada em Davies et al. (2002), relativa à condição de estabilidade de uma barragem de rejeitos com alteamentos sucessivos para montante, em que a faixa formada pelos diques de alteamento funcionaria como uma casca, ou “shell”, contendo os rejeitos no interior do reservatório.
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“Materiais granulares fofos e saturados, depositados atrás de uma faixa de diques, relativamente espessa, podem causar a ruptura de uma barragem de rejeitos. Embora os rejeitos imperturbados possam adequadamente contribuir para a estabilidade da barragem, a resistência da espessa faixa de diques (“shell”) não suporta a solicitação de rejeitos liquefeitos.”
A melhor maneira de prevenir a saturação do maciço de uma barragem de contenção de rejeitos é com a formação de uma larga praia entre a crista da barragem e o lago formado mais a montante. Quanto mais próximo o lago estiver da crista, mais alta será a superfície freática no interior do maciço e, portanto maior será o risco de ruptura. A largura da praia pode se tornar reduzida por inundação, provocada por precipitações elevadas, ou por operação imprópria do sistema.
A velocidade dos alteamentos também deve ser controlada para prevenir um acréscimo significativo das poropressões. Vick (1990) e Mittal & Morgenstern (1976), citados por Martin (1999), sugerem uma taxa de alteamento entre 4,6 m/ano e 9,1 m/ano para que o excesso de poropressões seja dissipado à medida que o carregamento é aplicado.
Carrier (1991) recomenda algumas medidas para o aumento da segurança das barragens de rejeitos alteadas para montante:
Realização de análises de estabilidade em condição drenada e não drenada durante todas as etapas do alteamento.
Limitação da altura da estrutura para evitar a ocorrência de rupturas por cisalhamento na direção de montante.
Estabelecimento de uma perfeita integração entre o projeto e a execução da barragem.
Smith (1972), citado em Davies et al., 2002, apresenta duas recomendações básicas aprendidas com as várias rupturas por liquefação de barragens de rejeitos:
Garantir que a densidade dos rejeitos dos diques seja maior do que a densidade crítica.
Permitir a drenagem de forma a impedir que todos os rejeitos dentro da estrutura de retenção estejam na condição saturada.
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Martin & McRoberts (1999) afirmam que a estabilidade de uma barragem de rejeitos alteada para montante é melhor expressada pela probabilidade de ativação do comportamento cisalhante não drenado, juntamente com um fator de segurança para o equilíbrio limite.
Robertson et al. (1997) mostraram que a construção de aterros sobre fundações suscetíveis à liquefação é viável, mesmo com a utilização de equipamentos pesados. Estes autores observaram que a chave para este tipo de construção é o monitoramento das poropressões geradas pelo tráfego de equipamentos e pelo lançamento do aterro. Foram estabelecidos limites admissíveis dos excessos de poropressão para que a ruptura por liquefação estática fosse evitada. Além disso, para garantir a segurança do alteamento, a liberação das camadas era vinculada à ausência de ondulações e de “sand- boils” na superfície da fundação. De acordo com Robertson et al. (1997), os períodos de dissipação, nos intervalos entre os lançamentos das camadas, ajudaram a controlar as poropressões em níveis aceitáveis e também permitiram o adensamento dos rejeitos, repercutindo em um aumento da resistência.
É importante ressaltar que a presença dos “sand-boils” na superfície de uma camada de solo indica um processo de dissipação do excesso de poropressões, gerado por um carregamento não drenado. Entretanto, a sua ausência não significa necessariamente que a camada de solo completou o processo de adensamento, pois a existência de camadas de solo menos permeáveis pode impedir ou retardar a dissipação do excesso das poropressões.
De acordo com Byrne (2008a), rejeitos granulares fofos, localizados abaixo da linha freática, podem entrar em liquefação, provocada por um carregamento estático ou cíclico. Entretanto, caso não existam camadas de menor permeabilidade no interior do depósito, a resistência disponibilizada após o gatilho é normalmente suficiente para garantir a estabilidade contra a ruptura em fluxo por liquefação. Por outro lado, caso existam barreiras de menor permeabilidade, e se a liquefação for ativada por um evento estático ou cíclico, poderá ocorrer o efeito da expansão dos vazios com grande redução da resistência liquefeita disponível, e neste caso a ocorrência da ruptura em fluxo por liquefação é provável (Byrne, 2008a).
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Conforme apresentado no item 2.5.3, Byrne (2008a) afirma que é difícil encontrar, no campo, areias com índice de vazios maior do que o crítico. Entretanto, esta afirmação não pode ser considerada como uma regra absoluta. Os rejeitos granulares depositados hidraulicamente, frequentemente apresentam densidade relativa muito baixa. Desta forma o monitoramento dos índices de vazios existentes na praia de rejeitos é fundamental para se assegurar que a afirmação de Byrne (2008a) é válida para o caso em questão.