The catastrophic consequences associated with landslides necessitate predictions of these hazards to be made with as much certainty as possible. However, the often complex nature of these events make predictions highly challenging. In this thesis, a number of hypotheses related to the triggering mechanisms and subsequent consequences of landslides in a loose-granular soil were investigated. The investigation was conducted using small-scale geotechnical centrifuge models, and a new flume facility developed to examine landslide behavior in a reduced-scale model. The first hypothesis explored in this research was that static liquefaction might preferentially occur in the saturated granular soil located at the base of the landslide rather than the well-drained inclined portion of the slope. Using a geotechnical centrifuge model, it was found that a small initial toe failure did act as a monotonic loading trigger to shear the loose contractile saturated sand at the base of the slope and caused liquefaction to occur. The second hypothesis investigated whether the consequences of a landslide triggered under elevated groundwater antecedent conditions are higher than scenarios under drier antecedent conditions. Results from five centrifuge models subjected to different antecedent groundwater conditions show that higher groundwater conditions can result in landslides with velocities about three times higher and travel distances eight times higher than low antecedent conditions. The third hypothesis investigated the influence of slope inclination on landslide consequences. Seven geotechnical centrifuge models were built and tested, comparing the consequences of landslides triggered in 20° and 30° sloped models with different groundwater conditions. The results of these tests found that the influence of slope angle on the mobility consequences of a triggered landslide are highly dependent on the antecedent groundwater conditions. The most significant case was under high groundwater conditions, where the shallower 20° slope travelled twice the distance and speed of the steeper 30° slope. A new flume facility was developed to examine landslide behaviour in a reduced-scale model, and a direct comparison was made to one of the centrifuge models from the research. The comparison demonstrated the challenges associated with using reduced-scale models to study suction-dominated problems such as hydraulically-induced landslides in loose granular soils. / Thesis (Ph.D, Civil Engineering) -- Queen's University, 2014-04-29 16:45:11.335

Os escorregamentos causados por precipitação intensa ocasionam grandes prejuízos a cada estação chuvosa no sudeste brasileiro. Essa dissertação estudou 2 amostras de solos da região serrana do Rio de Janeiro sob uma nova ótica de análise para escorregamentos. As amostras foram coletadas 4 meses após a ocorrência do megadesastre, onde chuvas com precipitação de 325mm em 48 horas causaram mais de 1500 mortes. Em relatos e vídeos obtidos de movimentos de massa que ocorreram nesse evento foi possível observar que o solo apresentou comportamento de um líquido denso e viscoso, escoando pelas encostas da cidade, ou seja, o solo, encharcado pelas chuvas intensas que ocorreram na região, sofreu liquefação. Esse material viscoso formado pela mistura de solo+água que foi caracterizado através da utilização da reologia. Para isso foram apresentados os conceitos da reologia e dos ensaios reométricos, e as possíveis aplicações para solos e na caracterização de corridas de lama. Foram utilizados três ensaios para caracterizar o solo no estado fluido, que foi o squeeze flow, o reômetro de torque com reometria planetária, e o reômetro de placas paralelas. O principal objetivo para utilização desses ensaios é a praticidade para realização dos ensaios, que tem como características: a rapidez na execução, a coleta de dados é realizada automaticamente, apresentam receptibilidade e a facilidade na execução. Com os resultados obtidos foi possível observar a mudança de comportamento do solo (de um material com comportamento elástico para um material como um fluxo de lama) com a elevação da umidade, para os dois ensaios. Os resultados demonstram que o valor do limite de liquidez calculado através do aparelho de Casagrande é confirmado com esses novos aparelhos, ii sendo que, para esses aparelhos é visível a mudança de comportamento que define o limite de liquidez. Através dos resultados também foi possível determinar que o solo em estado fluido tem seu comportamento regido pelo modelo de Herschel Bulkley. Para tornar os resultados obtidos aplicáveis foi apresentado um capítulo ligando os resultados obtidos da reometria com a possibilidade do solo sofrer liquefação, aliado com os resultados obtidos dos ensaios de caracterização geotécnica. Sendo realizadas análises de estabilidade com os resultados obtidos, correlacionando a inclinação do talude, o nível dágua e a ocorrência da liquefação. / Landslide caused by rainfalls cause major damage each rainy season in southeastern Brazil. This dissertation studied two soil samples from the mountainous region of Rio de Janeiro in a new light analysis for landslides. Samples were collected four months after the occurrence of disaster, when rainfall with intensity of 325mm in 48 hours caused more than 1,500 deaths. In reports and video obtained from mass movements that occurred at this event was observed that the soil responded as a dense liquid, viscous draining the citys landscape. The drenched soil, by heavy rains that occurred in the region, suffered liquefaction. This viscous material formed by mixture of soil and water that was characterized by the use of rheology. In this dissertation was presented the concepts of rheology and rheometric tests for application in soils and characterization of fluid movements. Tree different rheometric tests were performed to characterize the soil in the fluid state, which was the squeeze flow, torque rheometer with planetary geometry and parallel plate rheometer. The main objective of these tests is to use the convenience for the tests, that presents the follow characteristics: the speed of execution, data collection is performed automatically and the testes present repeatability apart from ease of application. With the results we observed the change of soil behavior (of a material with elastic properties for a material that presents the behavior as a mud flow) with increasing humidity for the tests. The results show that the value of the liquidity limit calculated by the Casagrande apparatus is confirmed with these new devices, furthermore with the use of these devices is visible the behavior change that defines the liquid limit. iv Was determined that the Herschel Bulkley model is the one that best represents the behavior of the soil in the fluid state. Was presented a chapter with an application of the results obtained by adding the results of the rheometer with the results of geotechnical characterization tests to determine the possibility of soil suffer liquefaction. To this aim, were performed stability analysis considering the results obtained, correlating the slope inclination, the water level and the occurrence of liquefaction.

Os escorregamentos causados por precipitação intensa ocasionam grandes prejuízos a cada estação chuvosa no sudeste brasileiro. Essa dissertação estudou 2 amostras de solos da região serrana do Rio de Janeiro sob uma nova ótica de análise para escorregamentos. As amostras foram coletadas 4 meses após a ocorrência do megadesastre, onde chuvas com precipitação de 325mm em 48 horas causaram mais de 1500 mortes. Em relatos e vídeos obtidos de movimentos de massa que ocorreram nesse evento foi possível observar que o solo apresentou comportamento de um líquido denso e viscoso, escoando pelas encostas da cidade, ou seja, o solo, encharcado pelas chuvas intensas que ocorreram na região, sofreu liquefação. Esse material viscoso formado pela mistura de solo+água que foi caracterizado através da utilização da reologia. Para isso foram apresentados os conceitos da reologia e dos ensaios reométricos, e as possíveis aplicações para solos e na caracterização de corridas de lama. Foram utilizados três ensaios para caracterizar o solo no estado fluido, que foi o squeeze flow, o reômetro de torque com reometria planetária, e o reômetro de placas paralelas. O principal objetivo para utilização desses ensaios é a praticidade para realização dos ensaios, que tem como características: a rapidez na execução, a coleta de dados é realizada automaticamente, apresentam receptibilidade e a facilidade na execução. Com os resultados obtidos foi possível observar a mudança de comportamento do solo (de um material com comportamento elástico para um material como um fluxo de lama) com a elevação da umidade, para os dois ensaios. Os resultados demonstram que o valor do limite de liquidez calculado através do aparelho de Casagrande é confirmado com esses novos aparelhos, ii sendo que, para esses aparelhos é visível a mudança de comportamento que define o limite de liquidez. Através dos resultados também foi possível determinar que o solo em estado fluido tem seu comportamento regido pelo modelo de Herschel Bulkley. Para tornar os resultados obtidos aplicáveis foi apresentado um capítulo ligando os resultados obtidos da reometria com a possibilidade do solo sofrer liquefação, aliado com os resultados obtidos dos ensaios de caracterização geotécnica. Sendo realizadas análises de estabilidade com os resultados obtidos, correlacionando a inclinação do talude, o nível dágua e a ocorrência da liquefação. / Landslide caused by rainfalls cause major damage each rainy season in southeastern Brazil. This dissertation studied two soil samples from the mountainous region of Rio de Janeiro in a new light analysis for landslides. Samples were collected four months after the occurrence of disaster, when rainfall with intensity of 325mm in 48 hours caused more than 1,500 deaths. In reports and video obtained from mass movements that occurred at this event was observed that the soil responded as a dense liquid, viscous draining the citys landscape. The drenched soil, by heavy rains that occurred in the region, suffered liquefaction. This viscous material formed by mixture of soil and water that was characterized by the use of rheology. In this dissertation was presented the concepts of rheology and rheometric tests for application in soils and characterization of fluid movements. Tree different rheometric tests were performed to characterize the soil in the fluid state, which was the squeeze flow, torque rheometer with planetary geometry and parallel plate rheometer. The main objective of these tests is to use the convenience for the tests, that presents the follow characteristics: the speed of execution, data collection is performed automatically and the testes present repeatability apart from ease of application. With the results we observed the change of soil behavior (of a material with elastic properties for a material that presents the behavior as a mud flow) with increasing humidity for the tests. The results show that the value of the liquidity limit calculated by the Casagrande apparatus is confirmed with these new devices, furthermore with the use of these devices is visible the behavior change that defines the liquid limit. iv Was determined that the Herschel Bulkley model is the one that best represents the behavior of the soil in the fluid state. Was presented a chapter with an application of the results obtained by adding the results of the rheometer with the results of geotechnical characterization tests to determine the possibility of soil suffer liquefaction. To this aim, were performed stability analysis considering the results obtained, correlating the slope inclination, the water level and the occurrence of liquefaction.

A extração e processamento de minério resultam na geração de elevadas quantidades de resíduos, cuja disposição gera impacto e risco ambiental. O lançamento direto em reservatórios contidos por diques consiste na forma mais comum de disposição dos resíduos de mineração em superfície. Estes diques podem ser construídos por alteamentos sucessivos a montante (upstream), prática desaconselhada em alguns países. Apesar de se tratar de um processo de baixo custo, o tipo de aterro a montante é uma operação de risco, pois a montante as barragens são sensíveis à liquefação e também porque a estabilidade das barragens pode ser ameaçada pelo excesso de poro pressão gerado dentro do depósito durante a construção. Para atender às exigências de projetos de áreas de disposição de resíduos é, portanto, fundamental entender o comportamento destes materiais. Resíduos exibem considerável variabilidade em suas características físicas, químicas e mineralógicas, que conferem um comportamento distinto dos geomateriais usualmente encontrados em depósitos naturais. Entre os diferentes resíduos destacam-se ouro e bauxita cuja prática de exploração no Brasil é revestida de considerável interesse econômico e ambiental. Nesta tese estes materiais são analisados a partir de uma extensa campanha de investigação geotécnica baseada em um programa de ensaios de laboratório destinados à caracterização destes resíduos e à definição de parâmetros constitutivos. Para fins comparativos são realizados ensaios com um material siltoso, porém inerte. A condutividade hidraúlica e compressibilidade dos resíduos foram obtidas através de ensaios oedométricos executados com estágios de carga e gradientes hidráulicos constantes. Ensaios triaxiais foram realizados com altos níveis de tensões de confinamento e distintas trajetórias de tensões, para a definição da linha do estado crítico e a identificação do comportamento destes materiais através de ensaios com Bender Elements. A análise dos resultados obtidos permitiu comparações entre a linha de consolidação oedométrica (LCO), a linha de consolidação isotrópica (LCI) e a linha do estado crítico (LEC) que definiram a resposta de liquefação estática do material. No espaço e - log (p´) o aparecimento de um comportamento instável alterou significativamente a inclinação da LEC com relação a LCI e a LCO. A mesma mudança de inclinação é observada tanto no parâmetro de estado como no módulo cisalhante do solo quando plotados contra a tensão efetiva média. Com base nessas evidências, é defendido que o LEC de resíduos de mineração é altamente não-linear, e servem como indicativo de três respostas distintas do solo: uma resposta estável quando LCO, LCI e a LEC exibem paralelismo, um comportamento meta-estável em baixas tensões de confinamento levando à liquefação e quebra de grãos para altas tensões de confinamento da amostra. O avanço nas pesquisas relativas à disposição de resíduos provenientes de indústrias de mineração com o conhecimento dos fenômenos que se processa, poderá evitar a ocorrência de ruptura de barragens, que teria como conseqüência desastres ambientais de grande impacto. / Production and deposition of mining tailings is a problem confronting geotechnical engineers given the dimension of tailings deposits and environmental risks. The direct launching of tailings in reservoirs contained by dikes consists in a common type of waste disposal. These dikes can be constructed by successive upstream embankments, a relatively simple and economical process adopted in some countries. Although it is a low cost process, the upstream embankment is an operation of great risk, especially because tailings are susceptible to liquefaction and also because the stability of the dams can be threatened by excess of pore pressures generated inside the deposit during construction. To meet design requirements of disposal of residues it is therefore essential to understand the behavior of these materials. Tailings show a considerable variability in their physical, chemical and mineral characteristics that confer a distinct behavior to the geo-materials usually found in natural deposits. The present work gives emphasis to gold and bauxite tailings that encompass substantial economic and environmental interest in Brazil. In the thesis, an extensive laboratory geotechnical investigation program is carried out in an attempt to characterize these residues and to establish design constituent parameters. For comparative purposes an inert silty material is also tested. Compressibility and hydraulic conductivity were measured in oedometer tests performed at constant load and constant hydraulic gradient tests. Triaxial tests were carried out at high stress levels and different stress paths in order to establish the position and shape of the critical state line. In addition measured with Bender Elements are evaluated. The results between the oedometer consolidation (OCL), isotropic consolidation (ICL) and critical sate (CSL) lines allowed the static liquefaction response to be directly assessed. In a e-log (p’) space, the onset of a meta-stable behaviour significantly changes the slope of the CSL relative to both ICL and OCL. The same change in slope is observed on both the state parameter and the small strain shear modulus measured by bender elements when plotted against mean stress. Based on these evidences it is advocated that the CSL of the tailing is highly non-linear in nature, which lead to three distinct soil responses: a stable response when OCL, ICL and CSL exhibit similar slopes, a meta-stable beahaviour at lower stress leading to liquefaction and a crushable response for higher mean stresses. Advanced research on tailings from mining industries with due recognition of the phenomena of liquefaction may prevent dam failure, and consequently may prevent major environmental disasters.

A extração e processamento de minério resultam na geração de elevadas quantidades de resíduos, cuja disposição gera impacto e risco ambiental. O lançamento direto em reservatórios contidos por diques consiste na forma mais comum de disposição dos resíduos de mineração em superfície. Estes diques podem ser construídos por alteamentos sucessivos a montante (upstream), prática desaconselhada em alguns países. Apesar de se tratar de um processo de baixo custo, o tipo de aterro a montante é uma operação de risco, pois a montante as barragens são sensíveis à liquefação e também porque a estabilidade das barragens pode ser ameaçada pelo excesso de poro pressão gerado dentro do depósito durante a construção. Para atender às exigências de projetos de áreas de disposição de resíduos é, portanto, fundamental entender o comportamento destes materiais. Resíduos exibem considerável variabilidade em suas características físicas, químicas e mineralógicas, que conferem um comportamento distinto dos geomateriais usualmente encontrados em depósitos naturais. Entre os diferentes resíduos destacam-se ouro e bauxita cuja prática de exploração no Brasil é revestida de considerável interesse econômico e ambiental. Nesta tese estes materiais são analisados a partir de uma extensa campanha de investigação geotécnica baseada em um programa de ensaios de laboratório destinados à caracterização destes resíduos e à definição de parâmetros constitutivos. Para fins comparativos são realizados ensaios com um material siltoso, porém inerte. A condutividade hidraúlica e compressibilidade dos resíduos foram obtidas através de ensaios oedométricos executados com estágios de carga e gradientes hidráulicos constantes. Ensaios triaxiais foram realizados com altos níveis de tensões de confinamento e distintas trajetórias de tensões, para a definição da linha do estado crítico e a identificação do comportamento destes materiais através de ensaios com Bender Elements. A análise dos resultados obtidos permitiu comparações entre a linha de consolidação oedométrica (LCO), a linha de consolidação isotrópica (LCI) e a linha do estado crítico (LEC) que definiram a resposta de liquefação estática do material. No espaço e - log (p´) o aparecimento de um comportamento instável alterou significativamente a inclinação da LEC com relação a LCI e a LCO. A mesma mudança de inclinação é observada tanto no parâmetro de estado como no módulo cisalhante do solo quando plotados contra a tensão efetiva média. Com base nessas evidências, é defendido que o LEC de resíduos de mineração é altamente não-linear, e servem como indicativo de três respostas distintas do solo: uma resposta estável quando LCO, LCI e a LEC exibem paralelismo, um comportamento meta-estável em baixas tensões de confinamento levando à liquefação e quebra de grãos para altas tensões de confinamento da amostra. O avanço nas pesquisas relativas à disposição de resíduos provenientes de indústrias de mineração com o conhecimento dos fenômenos que se processa, poderá evitar a ocorrência de ruptura de barragens, que teria como conseqüência desastres ambientais de grande impacto. / Production and deposition of mining tailings is a problem confronting geotechnical engineers given the dimension of tailings deposits and environmental risks. The direct launching of tailings in reservoirs contained by dikes consists in a common type of waste disposal. These dikes can be constructed by successive upstream embankments, a relatively simple and economical process adopted in some countries. Although it is a low cost process, the upstream embankment is an operation of great risk, especially because tailings are susceptible to liquefaction and also because the stability of the dams can be threatened by excess of pore pressures generated inside the deposit during construction. To meet design requirements of disposal of residues it is therefore essential to understand the behavior of these materials. Tailings show a considerable variability in their physical, chemical and mineral characteristics that confer a distinct behavior to the geo-materials usually found in natural deposits. The present work gives emphasis to gold and bauxite tailings that encompass substantial economic and environmental interest in Brazil. In the thesis, an extensive laboratory geotechnical investigation program is carried out in an attempt to characterize these residues and to establish design constituent parameters. For comparative purposes an inert silty material is also tested. Compressibility and hydraulic conductivity were measured in oedometer tests performed at constant load and constant hydraulic gradient tests. Triaxial tests were carried out at high stress levels and different stress paths in order to establish the position and shape of the critical state line. In addition measured with Bender Elements are evaluated. The results between the oedometer consolidation (OCL), isotropic consolidation (ICL) and critical sate (CSL) lines allowed the static liquefaction response to be directly assessed. In a e-log (p’) space, the onset of a meta-stable behaviour significantly changes the slope of the CSL relative to both ICL and OCL. The same change in slope is observed on both the state parameter and the small strain shear modulus measured by bender elements when plotted against mean stress. Based on these evidences it is advocated that the CSL of the tailing is highly non-linear in nature, which lead to three distinct soil responses: a stable response when OCL, ICL and CSL exhibit similar slopes, a meta-stable beahaviour at lower stress leading to liquefaction and a crushable response for higher mean stresses. Advanced research on tailings from mining industries with due recognition of the phenomena of liquefaction may prevent dam failure, and consequently may prevent major environmental disasters.

A extração e processamento de minério resultam na geração de elevadas quantidades de resíduos, cuja disposição gera impacto e risco ambiental. O lançamento direto em reservatórios contidos por diques consiste na forma mais comum de disposição dos resíduos de mineração em superfície. Estes diques podem ser construídos por alteamentos sucessivos a montante (upstream), prática desaconselhada em alguns países. Apesar de se tratar de um processo de baixo custo, o tipo de aterro a montante é uma operação de risco, pois a montante as barragens são sensíveis à liquefação e também porque a estabilidade das barragens pode ser ameaçada pelo excesso de poro pressão gerado dentro do depósito durante a construção. Para atender às exigências de projetos de áreas de disposição de resíduos é, portanto, fundamental entender o comportamento destes materiais. Resíduos exibem considerável variabilidade em suas características físicas, químicas e mineralógicas, que conferem um comportamento distinto dos geomateriais usualmente encontrados em depósitos naturais. Entre os diferentes resíduos destacam-se ouro e bauxita cuja prática de exploração no Brasil é revestida de considerável interesse econômico e ambiental. Nesta tese estes materiais são analisados a partir de uma extensa campanha de investigação geotécnica baseada em um programa de ensaios de laboratório destinados à caracterização destes resíduos e à definição de parâmetros constitutivos. Para fins comparativos são realizados ensaios com um material siltoso, porém inerte. A condutividade hidraúlica e compressibilidade dos resíduos foram obtidas através de ensaios oedométricos executados com estágios de carga e gradientes hidráulicos constantes. Ensaios triaxiais foram realizados com altos níveis de tensões de confinamento e distintas trajetórias de tensões, para a definição da linha do estado crítico e a identificação do comportamento destes materiais através de ensaios com Bender Elements. A análise dos resultados obtidos permitiu comparações entre a linha de consolidação oedométrica (LCO), a linha de consolidação isotrópica (LCI) e a linha do estado crítico (LEC) que definiram a resposta de liquefação estática do material. No espaço e - log (p´) o aparecimento de um comportamento instável alterou significativamente a inclinação da LEC com relação a LCI e a LCO. A mesma mudança de inclinação é observada tanto no parâmetro de estado como no módulo cisalhante do solo quando plotados contra a tensão efetiva média. Com base nessas evidências, é defendido que o LEC de resíduos de mineração é altamente não-linear, e servem como indicativo de três respostas distintas do solo: uma resposta estável quando LCO, LCI e a LEC exibem paralelismo, um comportamento meta-estável em baixas tensões de confinamento levando à liquefação e quebra de grãos para altas tensões de confinamento da amostra. O avanço nas pesquisas relativas à disposição de resíduos provenientes de indústrias de mineração com o conhecimento dos fenômenos que se processa, poderá evitar a ocorrência de ruptura de barragens, que teria como conseqüência desastres ambientais de grande impacto. / Production and deposition of mining tailings is a problem confronting geotechnical engineers given the dimension of tailings deposits and environmental risks. The direct launching of tailings in reservoirs contained by dikes consists in a common type of waste disposal. These dikes can be constructed by successive upstream embankments, a relatively simple and economical process adopted in some countries. Although it is a low cost process, the upstream embankment is an operation of great risk, especially because tailings are susceptible to liquefaction and also because the stability of the dams can be threatened by excess of pore pressures generated inside the deposit during construction. To meet design requirements of disposal of residues it is therefore essential to understand the behavior of these materials. Tailings show a considerable variability in their physical, chemical and mineral characteristics that confer a distinct behavior to the geo-materials usually found in natural deposits. The present work gives emphasis to gold and bauxite tailings that encompass substantial economic and environmental interest in Brazil. In the thesis, an extensive laboratory geotechnical investigation program is carried out in an attempt to characterize these residues and to establish design constituent parameters. For comparative purposes an inert silty material is also tested. Compressibility and hydraulic conductivity were measured in oedometer tests performed at constant load and constant hydraulic gradient tests. Triaxial tests were carried out at high stress levels and different stress paths in order to establish the position and shape of the critical state line. In addition measured with Bender Elements are evaluated. The results between the oedometer consolidation (OCL), isotropic consolidation (ICL) and critical sate (CSL) lines allowed the static liquefaction response to be directly assessed. In a e-log (p’) space, the onset of a meta-stable behaviour significantly changes the slope of the CSL relative to both ICL and OCL. The same change in slope is observed on both the state parameter and the small strain shear modulus measured by bender elements when plotted against mean stress. Based on these evidences it is advocated that the CSL of the tailing is highly non-linear in nature, which lead to three distinct soil responses: a stable response when OCL, ICL and CSL exhibit similar slopes, a meta-stable beahaviour at lower stress leading to liquefaction and a crushable response for higher mean stresses. Advanced research on tailings from mining industries with due recognition of the phenomena of liquefaction may prevent dam failure, and consequently may prevent major environmental disasters.

[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] Muitos autores concordam que areias em estado fofo, sob carregamento não drenado crescente e granulometria favorável à liquefação, necessariamente liquefazem em algum momento. Este trabalho tem como objetivo principal avaliar se duas amostras de areia, com características muito distintas uma da outra, submetidas às mesmas condições descritas acima, entram em liquefação. A primeira amostra é uma areia limpa que foi extraída de um aterro hidráulico localizado em Camboinhas, Niterói, RJ, Brasil. A segunda é um rejeito arenoso de ferro extraído de uma barragem de rejeitos localizada em Mariana, MG, Brasil. As avalições foram feitas através de ensaios de compressão triaxial com deformação controlada. Avaliou-se o comportamento desses materiais em condições de baixa compacidade e sob diferentes tensões de confinamento, com a finalidade de observar se ocorreria a liquefação. Em caso de não ocorrência da liquefação, o objetivo era compreender os motivos de tal resposta e no caso de ocorrência, avaliar a influência da tensão de confinamento, assim como delimitar as zonas de instabilidade não drenada. Verificou-se que a areia de Camboinhas entrou em liquefação total apenas para tensões de confinamento baixas, e apresenta comportamento oposto ao comportamento normal de solos arenosos fofos, tendo baixa resistência à liquefação em baixa tensão de confinamento e alta resistência à liquefação em grandes tensões de confinamento. O rejeito arenoso de Mariana entrou em liquefação total em tensões de confinamento baixas e altas. O rejeito apresentou comportamento diferente da areia de Camboinhas e semelhante ao comportamento normalmente obtido em solos arenosos fofos sob condições não drenadas. / [en] Many authors agree that loose sands, under increasing undrained loading and liquefaction favorable granulometry, necessarily liquefy at some moment. This work has as main objective to evaluate if two sand specimens, with characteristics very different from each other, under the same conditions as described above, enter into liquefaction. The first specimen is a clean sand that was extracted from a hydraulic embankment located in Camboinhas, Niterói, RJ, Brazil. The second is a sandy tailing of iron extracted from a tailing dam located in Mariana, MG, Brazil. The evaluations were made through triaxial compression tests with controlled deformation. The behavior of these materials was evaluated under conditions of low compactness and under different confininig pressure, in order to observe if liquefaction would occur. In case of no liquefaction, the objective was understand the reasons for such response and in case of occurrence, evaluate the influence of the confining pressure, as well as mark the zones of instability undrained. It was verified that the Camboinhas sand entered in total liquefaction only for low confining pressure, and it has the opposite behavior to the normal behavior of loose granular soils, having low strength to liquefaction in low confining pressure and high strength to liquefaction in large confining pressure. The Mariana granular tailing also entered in total liquefaction for low and higth confinig pressure. The tailing showed different behavior of the Camboinhas sand and similar to the behavior normally obtained in loose granular soils under undrained conditions.

[pt] Historicamente é sabido que muitas das rupturas ocorridas em barragens ou taludes naturais podem ser atribuídas ao fenômeno da liquefação de solos arenosos, causada pela ação de carregamentos dinâmicos gerados por explosão ou, mais freqüentemente, por terremotos. Quando liquefação ocorre, um súbito aumento da poropressão faz decrescer a resistência ao cisalhamento do solo e sua capacidade de suportar pontes e edifícios é significativamente reduzida. Solo liquefeito também pode exercer altas pressões sobre estruturas de contenção, causando inclinações da mesma e movimentos do solo que, por sua vez, originam recalques e destruição de estruturas localizadas sobre a superfície do terreno. O termo liquefação tem sido empregado para descrever fenômenos relacionados, que produzem efeitos similares, mas cujos mecanismos de formação são bastante diferentes. Estes fenômenos são modernamente descritos como fluxo por liquefação e mobilidade cíclica. Fluxo por liquefação é o fenômeno no qual o equilíbrio estático é destruído por carregamentos estáticos ou dinâmicos em um depósito de solo com baixa resistência residual. Colapsos causados por fluxo por liquefação são freqüentemente caracterizados por movimentos rápidos e de grande extensão. Mobilidade cíclica, por outro lado, é causada por carregamentos cíclicos em solos sob tensões cisalhantes estáticas inferiores à resistência ao cisalhamento do material, com as deformações desenvolvendo-se gradualmente. A execução de barragens de rejeito usando a técnica de construção à montante pode levar à ocorrência de liquefação estática se a velocidade de construção for suficientemente alta para causar o desenvolvimento de excessos de poropressão. A resposta de liquefação pode ser observada em amostras de solo fofo quando as tensões de cisalhamento atingem um pico seguido por uma fase de amolecimento aparente que, no caso de carregamento não drenado, é associado com a tendência do material em contrair de volume. Para alguns estados iniciais, a parte descendente da resposta do material pode ser seguida por uma fase crescente que se atenua à medida que o estado permanente ou crítico for atingido. Nesta dissertação, a modelagem da resposta de liquefação por carregamento estático, foi feita considerando-se modelos propostos na literatura por Juárez-Badillo (1999b) e Gutierrez e Verdugo (1995). Este último, principalmente após modificação introduzida pela dependência de alguns parâmetros em relação à tensão de confinamento, levou a resultados bastante satisfatórios nas retroanálises consideradas, apesar da relativa simplicidade da formulação. / [en] Historically it is known that many failures in earth dams and natural slopes can be attributed to the phenomenon of sand liquefaction, caused by dynamic loads generated by earthquake shaking or other rapid loading, such as blasts. When liquefaction occurs, the strength of the soil decreases and its ability to support foundations for buildings and bridges is significantly reduced. Liquefied soil can also exerts higher pressure on retaining walls, which can cause them to tilt or slide, yielding settlement of the retained soil with risks of destruction of structures on the ground surface. The term liquefaction has actually been used to describe a number of related phenomena, which produce similar effects but whose mechanisms are quite different in nature. These phenomena can be divided into two main categories: flow liquefaction and cyclic mobility. Flow liquefaction is a phenomenon in which the static equilibrium is destroyed by static or dynamic loads in a soil deposit with low residual strength. Failures caused by flow liquefaction are often characterized by large and rapid movements. Cyclic mobility, on the other hand, is a liquefaction phenomenon triggered by cyclic loading, occurring in soil deposits with static shear stresses lower than the soil strength. Deformations due to cyclic mobility develop incrementally because of static and dynamic stresses that exist during an earthquake. The rising of tailing dams using the upstream construction technique can lead to static liquefaction failure if the rate of construction is sufficiently high to cause excess pore pressure to develop in the tailings. The liquefaction response is observed for loose specimens when the shear stress exhibits a peak followed by a phase of apparent softening that, in undrained loading, is associated with the tendency of the material to contract (densify). For some initial loading states, the descending part of the response is followed by an increasing part, leveling-off eventually when the material reaches the final, critical (steady) state. In this thesis, the modeling of the phenomenon of static liquefaction is carried out considering the constitutive models proposed in the literature by Juárez-Badillo (1999b) and Gutierrez & Verdugo (1995). The latter, mainly after introducing the assumption that some material parameters are stress dependent and not simple constants, as in the original version, produced good matching between experimental and predicted results, in spite the simplicity of the mathematical formulation.