Novas perspectivas sobre a história da pré-escavação em solos granulares

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 4576 (2023) Citar este artigo

952 Acessos

1 Altmétrica

Detalhes das métricas

O projeto de taludes profundos para minas a céu aberto geralmente requer informações sobre a resistência do solo à liquefação durante terremotos. Essa resistência depende não apenas da tensão inicial, da densidade inicial e da amplitude do carregamento cíclico, mas também do pré-cisalhamento, ou seja, da trajetória de tensão desviatória aplicada ao solo antes do carregamento cíclico. Para explorar a influência do pré-cisalhamento no subseqüente comportamento do solo, é apresentado um conjunto de ensaios triaxiais com uma combinação de ciclos de pré-cisalhamento não drenado e drenado usando dois métodos de preparação de amostras. É mostrado que o pré-cisalhamento, assim como o método de preparação, tem uma grande influência no acúmulo de deformação sob carregamento cíclico. Simulações dos experimentos com quatro modelos constitutivos avançados revelam que nem o efeito duradouro do pré-cisalhamento nem o método de preparação podem ser capturados adequadamente por todos os modelos. Essa deficiência dos modelos constitutivos pode levar a projetos inseguros devido à superestimação da resistência cíclica à liquefação e à subestimação dos recalques de longo prazo.

As avaliações de estabilidade de taludes e assentamentos de longo prazo pertencem aos aspectos mais desafiadores do projeto de taludes de despejo para minas de linhito a céu aberto. Isso vale especialmente para minas profundas, como Hambach (Alemanha), onde as camadas granulares despejadas livremente podem atingir uma profundidade de 400 m e o re-cultivo da área após a extração de linhito é pretendido, ver Fig. 1. Para evitar eventos catastróficos , o dimensionamento de taludes de despejo requer informações sobre a resistência do solo à liquefação durante possíveis terremotos. Mas mesmo que a liquefação não ocorra, o acúmulo excessivo de recalques devido a cargas cíclicas e/ou quase estáticas durante e após a inundação das águas subterrâneas pode comprometer os processos de recultivo. É importante notar que um terremoto (cisalhamento não drenado) pode apresentar o pré-cisalhamento do próximo carregamento sísmico. Previsões adequadas da liquefação e do acúmulo de tensão e deformação sob carregamento cíclico, incluindo a influência da densidade e do método de deposição no comportamento do solo são, portanto, essenciais.

Vista do lado de extração da mina de linhito a céu aberto Hambach (lado esquerdo) com uma superfície de 85 km\(^2\) e profundidade de 400 m criada com escavadeira de carvão e local de despejo (lado direito)1.

No que diz respeito à liquefação, a influência da densidade, tensão de consolidação, bem como a amplitude do carregamento cíclico têm sido amplamente estudadas nas últimas décadas. Em geral, ensaios triaxiais não drenados em amostras consolidadas sob direção isotrópica mostram que amostras densas requerem mais ciclos da carga aplicada para atingir a liquefação do que amostras soltas. No entanto, isso não é verdade quando as direções de pré-carregamento e carregamento subsequente diferem.

Usando testes triaxiais não drenados, Ishihara e Okada2 estudaram a influência do histórico de carregamento (pré-carregamento) na resistência à liquefação da areia do rio Fuji. Eles interpretaram o pré-carregamento como pré-compressão ou pré-cisalhamento. No caso de pré-compressão, o solo experimentou uma tensão de compressão isotrópica maior do que no início do cisalhamento subsequente. No caso de pré-cisalhamento, o solo experimentou uma determinada tensão desviatória antes do carregamento subsequente. Ao aumentar a taxa de tensão do eixo de tensão isotrópica durante o pré-cisalhamento, eles observaram uma tendência da amostra a se contrair enquanto deformações de cisalhamento relativamente pequenas se desenvolviam. Sob condições drenadas, a contração resulta em um aumento da deformação volumétrica, enquanto sob cisalhamento não drenado resulta em um aumento do excesso de poropressão. O aumento adicional da taxa de tensão levou, em contraste, à dilatação e a deformações de cisalhamento muito maiores. Sob condições drenadas ou não drenadas, a dilatação resulta em uma diminuição da deformação volumétrica ou excesso de poropressão (aumento da tensão efetiva média), respectivamente. Em2, bem como amplamente na literatura geotécnica, a taxa de tensão na qual o comportamento do solo muda de contração para dilatação é denotada como a linha de transformação de fase (PTL). Conseqüentemente, os históricos de carregamento que atingiram taxas de tensão menores que PTL foram denominados pré-cisalhamento pequeno, enquanto aqueles que ultrapassaram o PTL foram chamados de pré-cisalhamento grande. A Fig. 2 (digitalizada de 2) mostra o comportamento da areia do rio Fuji submetida a grande pré-cisalhamento com subseqüente carga cíclica não drenada. Após alguns ciclos com uma amplitude de tensão desviatória de \(q^{{\text{ ampl }}}=0,4\) kg/cm\(^2\) (primeiro carregamento), a amostra foi carregada além do PTL (grande pré-cisalhamento ) com uma tensão desviatória de \(q\aprox 1,1\) kg/cm\(^2\). Em seguida, o excesso de poropressão resultante foi dissipado abrindo a drenagem até que a tensão efetiva isotrópica inicial (p = 1,0 kg/cm\(^2\)) fosse recuperada (reconsolidação). Por fim, a amostra foi submetida a ciclos não drenados de tensão desviatória (segundo carregamento) com a mesma amplitude do primeiro carregamento. O experimento mostra que a tensão efetiva diminui mais rapidamente com o número de ciclos de carga para o caso de grande pré-cisalhamento (segundo carregamento) do que para o caso sem pré-cisalhamento (primeiro carregamento). Mesmo que a taxa de vazios antes do segundo carregamento (\(e=0,825\)) seja menor do que antes do primeiro carregamento (\(e=0,840\)), o estado mais denso submetido à mesma amplitude de carregamento se liquefaz mais facilmente. Portanto, o histórico de carregamento (pré-carregamento) desempenha um papel importante (às vezes até mais significativo do que a densidade) no comportamento do material e pode reduzir significativamente sua resistência à liquefação.