[pt] A disposição de rejeitos tem sido uma preocupação muito importante nas empresas de mineração de todo o mundo, tendo como principal motivo a proteção do meio ambiente. Diariamente geram-se grandes quantidades de rejeitos nas plantas de beneficiamento de minérios, sendo necessário dispor de estruturas de armazenamento adequadas (barragem de rejeito) que, dependendo da produção industrial, devem ser alteadas para aumentar a capacidade de armazenamento destas estruturas. Três métodos de alteamento de barragens podem ser utilizados: o método à montante, o método à jusante e o método da linha de centro. O método à montante, discutido nesta dissertação, começa com a construção de um dique de partida. Terminada esta etapa, os rejeitos são depositados à montante, formando uma praia que adensará com o tempo, aumentando gradualmente a resistência ao cisalhamento do rejeito e servindo de fundação para futuros diques de alteamento. Este procedimento continua sucessivamente, até atingir a cota prevista de projeto. É um método de construção simples e de baixo custo, mas sua principal desvantagem é que velocidades de alteamento excessivas podem induzir a liquefação estática, causa principal do colapso de várias barragens de rejeito construídas no mundo. Neste trabalho é investigado o potencial de liquefação de uma barragem de rejeito de cobre, situada no Peru, com auxílio do método empírico de Olson, baseado em correlações com resultados de ensaios de campo SPT, e do método de elementos finitos, com utilização do modelo constitutivo elastoplástico UBCSand para previsão de liquefação. / [en] The disposal of tailings has been a very important concern in mining companies around the world, with the main objective to protect the environment. Large quantities of tailings are generated daily in the ore processing plants, being necessary the availability of specific storage structures (tailings dam) which, depending on the industrial production, must be successively raised in their lifetime to provide higher storage capacity. Three methods of dam raising can be used: the upstream method, the downstream method and the centerline method. The upstream method, discussed in this thesis, begins with the construction of a starting dyke. After this step, the tailings are deposited upstream, forming a beach which will consolidate over time, gradually increasing the shear resistance of the waste and serving as a foundation for future raising dikes. This procedure continues until the final dam elevation is reached. This method is of simple construction and low cost, but its main disadvantage is that the raising speeds can be excessive and they may induce static liquefaction, a major cause of failure of tailing dams around the world. This dissertation investigates the liquefaction potential of a copper tailing dam, situated in Peru, making use of the empirical method proposed by Olson, based on correlations with data from SPT field tests, and the finite element method, considering the elastoplastic constitutive model UBCSand.

[pt] A pesquisa apresenta uma análise do comportamento dinâmico da barragem de rejeitos Alpamarca localizada em região sismicamente ativa no centro do Peru. Estudos de ameaça sísmica constituem um aspecto fundamental no projeto de barragens de rejeito tendo em vista os grandes prejuízos ambientais, econômicos e sociais que a ruptura da estrutura, por carregamento dinâmico, possa produzir. Nesta pesquisa foram feitos estudos probabilísticos de ameaça sísmica utilizando o software de código aberto Openquake, que inclui leis de atenuação específicas para as condições geológicas do Peru. A simulação do comportamento dinâmico da barragem demandou a geração de terremotos de projeto com base no espectro de acelerações uniformemente provável determinado na investigação de ameaça sísmica e em função da classificação da barragem em relação a níveis de risco. No trabalho também são discutidas técnicas de tratamento dos acelerogramas, com o objetivo de diminuir o esforço computacional dos cálculos no domínio do tempo, porém sem perder precisão requerida para os resultados estimados. / [en] The research presents an analysis of the dynamic behavior of the Alpamarca tailings dam located in Junín, central Peru, because of the catastrophic effects of earthquakes that frequently occur on the western coast of South America. Dam from the 4670 m elevation. Up to the elevation 4703 m. Under the sea level, with the purpose of supplying the demand for tailings generation in the mining area. The tailings dams are important structures due to the storage of contaminant residues that would shave the environment in the event of a collapse or rupture, which is indispensable to carry out studies to characterize their seismic behavior. In this research, probabilistic seismic threat studies were performed using the OpenQuake software, working with the regional seismicity and soil attenuation law of Peru. Dynamic behavior analysis was performed using the FLAC 2D software, based on the finite difference method. The simulation of the seismic behavior of the dam is made by discussing several important aspects that should be considered for a correct analysis such as the selection of the project earthquake, the filtering of high frequencies to minimize the number of elements of the mesh, the introduction of Quiet conditions, the choice of constituent models including the incorporation of hysteretic damping, among other points.

[pt] Sismos são considerados um dos desastres naturais mais catastróficos devido ao seu imenso potencial destrutivo, à extensão dos seus efeitos e pela sua súbita e inesperada ocorrência, podendo desencadear sérias consequencias como deslizamentos de encostas, liquefação de solos, corrida de detritos, etc. O estudo da estimativa da ameaça sísmica é de grande importância na engenharia geotécnica, principalmente em obras especiais como barragens, dos pontos de vista sócio econômico, ambiental e de segurança. Análises sísmicas destas geoestruturas mesmo em zonas de baixa sismicidade, como no Brasil, devem ser consideradas como consequência natural de uma boa prática de projeto, pois tais instalações precisam manter-se seguras e em funcionamento durante a sua vida útil, visando à segurança e bem estar da população em geral. A motivação principal da presente dissertação é reunir informações e apresentar métodos de estudo de ameaça sísmica e da resposta dinâmica de obras de terra. Um sistema de contenção de rejeitos de bauxita localizado na Jamaica, em zona de alta atividade sísmica, é analisado procurando-se estabelecer as características fundamentais do terremoto de projeto a partir de uma análise probabilística de ameaça sísmica regional. A estabilidade dos taludes do dique de contenção, bem como os deslocamentos permanentes provocados pelo sismo, são estimados por metodologias simples (método de estabilidade pseudo-estático, método de Newmark) e soluções mais complexas baseadas no método dos elementos finitos. / [en] Earthquakes are considered one of the most catastrophic natural disasters due to its immense destructive potential, the extent of its effects and its sudden and unexpected occurrence, which can trigger serious consequences such as landslides, soil liquefaction, debris flow, etc. The study of seismic hazard is of great importance in geotechnical engineering, especially in cases involving special structures such as earth dams, under the socio-economic, environmental and security points of view. Seismic analysis of such special structures, even in areas of low seismicity as in Brazil, should be considered as a natural consequence of good design practice, since these facilities do need to remain safe and operational during their entire lifetime. The main motivation of this dissertation is to gather information and to present and discuss methods for the estimate of the seismic hazard and evaluation of the dynamic response of earth works. A tailings dam system located in Jamaica, within an area of high seismic activity, is analyzed in this dissertation, with the objective to establish the fundamental characteristics of the earthquake design from a probabilistic analysis of the regional seismic hazard. The slope stability of the dike and the permanent displacements caused by the earthquake are estimated by simple methods (pseudo-static stability method, Newmark method) and more complex solutions based on the finite element method.

[pt] O Peru se localiza na região denominada cinturão de fogo do Pacífico, onde se registra aproximadamente 85 porcento da atividade sísmica mundial. Como grande produtor de minérios, importantes estruturas são construídas no país para desenvolvimento de projetos de mineração, incluindo barragens de rejeitos. Nesta dissertação é investigado o potencial de liquefação dinâmica de uma barragem de rejeitos localizada na região central do Peru, que atualmente passa por uma etapa de alteamento pelo método construtivo da linha de centro. A liquefação dos solos é um fenômeno caracterizado pela perda de rigidez e resistência durante curto intervalo de tempo, mas suficiente para causar instabilidades e, em casos extremos, o colapso da estrutura. Análises numéricas foram realizadas para verificar o potencial de liquefação dinâmica da barragem, representando o comportamento cíclico dos materiais suscetíveis à liquefação pelo modelo constitutivo UBCSand e de Byrne, considerando terremotos de magnitude 8,2, 7,8 e 8,1. Resultados numéricos obtidos foram comparados com formulações simplificadas, utilizadas na prática de engenharia para determinação do fator de segurança contra liquefação dinâmica. As análises indicaram que rejeitos finos, abaixo do nível de lençol freático, apresentam potencial de liquefação, conforme valores do parâmetro de razão de poropressão (ru) computados, porém sem provocar risco à estabilidade geral da estrutura. São também apresentados resultados de deslocamentos permanentes em alguns pontos da barragem e dos rejeitos. / [en] Peru is located in the region called the Pacific fire belt, where approximately 85 percent of the world seismic activity is recorded. As a major ore producer, important structures are built in the country to develop mining projects, including tailings dam. The dissertation investigates the potential for dynamic liquefaction of a tailings dam located in the central region of Peru, whose height is currently being raised by the center line construction method. Liquefaction of soils is a phenomenon characterized by loss of stiffness and resistance over a short period of time, but sufficient to cause instability and, in extreme cases, the collapse of the structure. Numerical analyses were carried out to verify the dynamic liquefaction potential of the dam, representing the cyclical behavior of the materials susceptible to liquefaction by the constitutive model UBCSand and Byrne, considering an earthquakes of magnitude 8,2, 7,8 and 8,1. Numerical results obtained were compared with simplified formulations used in the practice of engineering in order to determine the safety factor against dynamic liquefaction. The analyses indicated that fine tailings, below the water table level, have potential for liquefaction, according to the values of the poropression parameter (ru) computed, but without risk to the general stability of the structure. Results are also presented in terms of permanent displacements at some points of the dam and tailings.

[pt] O Peru está localizado em uma área de alta atividade sísmica conhecida como cinturão de fogo. Os terremotos registrados com diferentes mecanismos de falha resultam da interação entre as placas tectônicas de Nazca e Sul-americana. É nesta região onde acontecem atividades de mineração no país, juntamente com a construção de grandes estruturas civis, como barragens de rejeitos, projetadas para armazenar grande quantidade de material na menor área possível. Neste trabalho, foi avaliado o comportamento sísmico de uma barragem de rejeitos localizada em Arequipa, Peru, construída com o método a montante. Em evento sísmico ocorrido em 2013, a barragem sofreu trincas no seu corpo, recalques na crista e pequenos vulcões de areia, indicando a redução dos parâmetros de resistência no rejeito devido a possível fenômeno de liquefação. Nesta pesquisa, a estimativa da ameaça sísmica foi feita por métodos probabilísticos, com o terremoto artificial de projeto obtido por método de ajuste espectral. Foram feitas análises pseudo-estáticas de estabilidade dos taludes, bem como estimados deslocamentos permanentes e o potencial de liquefação dinâmica por métodos simplificados. A análise global da barragem de rejeitos foi executada pelo método dos elementos finitos, considerando o modelo constituivo UBC3D-PLM para simular o comportamento mecânico dos rejeitos sob carregamento cíclico. / [en] Peru is located in an area of high seismic activity known as the fire belt. Earthquakes recorded with different failure mechanisms result from the interaction between the Nazca and South-American tectonic plates. It is in this region where mining activities take place in the country, along with the construction of large civil structures, such as tailings dams, designed to store large amounts of material in the smallest possible area. In this work, the seismic behavior of a tailings dam located in Arequipa, Peru, built with the upstream method, was evaluated. In a seismic event that occurred in 2013, the dam suffered cracks in its body, settlement in the crest and small sand boils, indicating the reduction of the tailings resistance parameters due to possible dynamic liquefaction. In this research, the seismic hazard assessment was made by probabilistic methods, with the artificial design earthquake obtained by the spectral adjustment method. Pseudo-static analyzes of slope stability were performed, as well as the estimated permanent displacements and the potential of dynamic liquefaction were obtainded by simplified methods. The global seismic analysis of the tailings dam was carried out through the finite element method, considering the UBC3D-PLM constitutive model to simulate the mechanical behavior of tailings under cyclic loading.

[pt] A ocorrência de dois acidentes de proporções inaceitáveis no Brasil, num período de 4 anos, resultou em problemas de confiança nos projetos e na operação de barragens de rejeitos, em especial as construídas pelo método de montante. Esse trabalho tem o objetivo de auxiliar no entendimento dos riscos de barragens de rejeitos, propondo uma metodologia para estimativa desses riscos e indicação de valores para limites de aceitabilidade e tolerabilidade. A metodologia proposta foi aplicada em duas barragens que romperam recentemente, Barragem de Fundão (Mariana/MG) e Barragem de Feijão (Brumadinho/MG), e uma barragem existente, a Barragem do Germano. A aplicação do método probabilístico FOSM em conjunto com a análise de equilíbrio limite por Spencer foi sugerida para estimar a probabilidade de ruptura por liquefação. Adicionalmente, a probabilidade de ocorrência dos gatilhos foi estimada de acordo com as características e operação da barragem. Nos casos estudados nesse trabalho, as probabilidades de ruptura determinadas pela metodologia desenvolvida são iguais a 36 por cento no caso de Fundão, 47 por cento no caso de Feijão e 3 por cento no caso de Germano. Os resultados mostraram que o risco associado às barragens que romperam era incompatível com qualquer obra de engenharia e muito acima dos limites normativos considerando as consequências da ruptura. / [en] Two accidents in tailings dams occurred in the last few years in Brazil and they resulted in the lack of trust in their design and performance. The aim of this work is to provide a better understanding of the risks on existing tailings dams, presenting a methodology for risk estimate and recommendation of values for acceptability and tolerability limits. The combination of the Spencer’s limit equilibrium method and the first-order second-moment (FOSM) probabilistic method (Christian et al., 1992) were chosen to be applied in the Fundão Dam (collapsed in 2015 in Mariana/MG), Feijão Dam (collapsed in 2019 in Brumadinho/MG), and Germano Dam. There is also a methodology suggested for trigger probability evaluation according to the dam s characteristics and operation. The probabilities of rupture through liquefaction during the time of the accidents are 36 per cent in case of Fundão Dam, 47 per cent in case of Feijão Dam and 3 per cent in case of Germano Dam. The results shows that the risk associated with the collapsed structures was much higher than the tolerable level of the standards.

[pt] Este trabalho apresenta a utilização de métodos de equilíbrio limite em conjunto com métodos numéricos pela abordagem probabilística, para avaliação da estabilidade de uma barragem de rejeitos de mineração de ferro situada no quadrilátero ferrífero, no Estado de Minas Gerais. Foram conduzidas análises fazendo uso dos métodos de Bishop Simplificado (1955) e Morgenstern e Price (1965), além de análises numéricas de tensão vs deformação pelo método dos elementos finitos. Os campos de poropressão gerados no modelo numérico em dois momentos distintos da obra foram exportados para os modelos de equilíbrio limite, de forma que ambas análises fossem realizadas em condições piezométricas similares. Para as análises probabilísticas foram adotados os métodos FOSM (First Order Second Moment) e Monte Carlo. São apresentandos os conceitos básicos de análises de estabilidade determinísticas e probabilísticas, abrangendo os métodos de cálculo de FS, fundamentos de probabilidade e estatística e conceitos de modelagem numérica. Este estudo aborda também os princípios construtivos de barragens de rejeito de mineração, além da aplicação dos métodos probabilísticos para avaliação da estabilidade de uma barragem de rejeitos, construída pelo método de jusante. Os resultados indicaram que a consideração de uma superfície de ruptura livre foi fator preponderante na influência dos parâmetros na PR (Probabilidade de Ruptura). Concluiu-se também que os método de cálculo de FS teve maior influência no valor da PR do que as condições piezométricas da fundação. / [en] This work presents the use of limit equilibrium (LEM) and numerical methods by the probabilistic approach, in order to evaluate the stability of an iron ore tailings dam located in Minas Gerais s iron quadrangle. LEM analyzes were carried out using the Simplified Bishop (1955) and Morgenstern and Price (1965) methods, in addition to stress vs strain analyzes with the finite element method. The pore pressure fields generated in the numerical model at two distinct construction stages were exported to the limit equilibrium models in order to guarantee that both analyzes were performed on the same piezometric conditions. For the probabilistic analyzes the FOSM (First Order Second Moment) and Monte Carlo methods were applied. The basic concepts of deterministic and probabilistic stability analysis are presented together with the fundamentals of statistics and probability, FoS (Factor of Safety) calculation methods, as well as numerical modeling concepts. This work also addresses the definition and construction principles of tailings dams. This study presents an application of probabilistic methods to assess the stability of a tailings dam built and heightened by the downstream method. The results indicate that the consideration of a free failure surface was the decisive factor to the magnitude of the influence of each parameter on the PF (Probability of Failure). It was also concluded that the FoS calculation methods had a greater influence on the PF than the foundation s piezometric conditions.

[pt] O presente trabalho estudou o comportamento de rejeitos de minério de ferro e de ouro, reforçados com fibras de polipropileno, com o objetivo da aplicabilidade destes compósitos em aterros (pilhas) de rejeitos de mineração. As fibras foram distribuídas de forma aleatória nos rejeitos (matriz) em um teor de 0.5 por cento em relação ao peso seco da matriz. Os rejeitos de minério de ferro e de ouro são classificados como uma areia siltosa e uma argila siltosa, respectivamente. O programa experimental consistiu em ensaios triaxiais convencionais drenados e não drenados (tensões efetivas de confinamento de 50, 100, 200 e 400 kPa) em amostras não reforçados e reforçados com fibras. Ensaios de cisalhamento direto com superfície polida (tensões normais de 25, 50, 100, 200 e 400 kPa) foram realizados para determinar a influência do reforço na fase residual dos compósitos. Ensaios de Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) foram realizados para visualizar a interação fibra-matriz. A análise global dos resultados permitiu mostrar que fibras de polipropileno não modificam o comportamento elastoplástico do rejeito de minério de ferro, porém no rejeito de minério de ouro o comportamento muda para elastoplástico de enrijecimento. A resistência ao cisalhamento incrementou em ambos os rejeitos reforçados, com um ganho mínimo equivalente ao dobro da tensão cisalhante dos rejeitos sem reforço. Com relação à variação volumétrica, o rejeito de minério de ferro apresenta um comportamento dilatante e a adição de fibras incrementa esse comportamento. No rejeito de minério de ouro observa-se que a tendência volumétrica inicial é de contração e depois apresenta uma leve dilatância, porém, com a adição de fibras, o comportamento dilatante é eliminado. Em conclusão, a aplicabilidade das fibras de polipropileno se mostra como alternativa de reforço e melhoria do comportamento geotécnico dos rejeitos de mineração estudados. / [en] The objective of this work is to study the behavior of iron and gold mine tailings reinforced with polypropylene fibers with the objective of the applicability of these composites in landfills (piles) of mine tailings. The fibers were randomly distributed in the mine tailings (matrix), where was used a content of 0.5 percent in relation to the dry weight of the matrix. The iron and gold mine tailings are classified as a silty sand and a silty clay, respectively. The experimental program consisted of conventional drained and undrained triaxial tests (effective confinement stresses of 50, 100, 200 and 400 kPa) in non-reinforced and reinforced samples. Direct shear tests with a polished surface (normal stresses of 25, 50, 100, 200 and 400 kPa) were performed to determine the influence of reinforcement on the residual phase of the composites. Scanning Electron Microscopy (SEM) tests were performed to visualize the fiber-matrix interaction. The global analysis of the results allowed to show that polypropylene fibers do not modify the elastoplastic behavior of the iron mine tailings, but in the gold mine tailings the behavior changes to the strain hardening elastoplastic. Shear strength increased in both reinforced tailings, with a minimum gain equivalent to twice the shear stress of non-reinforced tailings. The strength parameters in the drained, undrained and residual condition of both mine tailings were increased with the addition of fiber. Regarding the volumetric variation, the iron mine tailings exhibits a dilative behavior and the fiber addition increases this behavior. In the gold mine tailings, it is observed that the initial volumetric tendency is contractive and then presents a slight dilatancy, however, with the fiber addition, the dilative behavior is eliminated. In conclusion, the applicability of the polypropylene fibers is showed as an alternative of reinforcement and improvement of the geotechnical behavior of the studied tailings.