Efeito da dissolução de grãos em terreno inclinado

Sep 08, 2023

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 22203 (2022) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

A estabilidade estática e dinâmica de taludes naturais ou construídos pode ser afetada pela dissolução ou fenômenos semelhantes à dissolução. Seus mecanismos subjacentes, no entanto, permanecem obscuros. Novos resultados experimentais e simulações de elementos discretos fornecem informações em nível de partícula e em macroescala sobre as consequências da dissolução mineral no comportamento do talude. Na microescala, arcos de grãos de carga se desenvolvem em torno de partículas em dissolução, a porosidade aumenta e as cadeias de força de contato evoluem para formar uma topologia de favo de mel. Na macroescala, enquanto os assentamentos verticais são o padrão de deformação predominante, os movimentos granulares laterais que criam perda de massa são proeminentes em terrenos inclinados, mesmo sob a perda granular quase estática. O deslocamento horizontal do grão é máximo na superfície e diminui linearmente com a distância da superfície do talude para se tornar zero nos limites inferiores, muito parecido com o deslocamento granular vertical ao longo da profundidade. Sedimentos com ângulos de fricção menores e declives mais acentuados experimentam maior deslocamento, tanto vertical quanto horizontalmente. As encostas tornam-se mais planas após a dissolução, com a redução do ângulo de inclinação diretamente relacionada à perda de elevação do solo, ΔH/Ho. No entanto, devido ao tecido poroso resultante da dissolução, o encurtamento vertical é menor que o limite superior, estimado a partir da perda na fração de massa sólida, ΔH/Ho≈SF. Sob condições de saturação de água, o tecido pós-dissolução pode levar a cisalhamento não drenado súbito e deslizamento de talude.

Dissolução e reprecipitação são processos diagenéticos prevalentes e persistentes. A escala de tempo para processos químicos é tipicamente bastante longa e a "suposição inerte de solos" se aplica a muitas aplicações de engenharia. No entanto, a dissolução e a precipitação também podem ocorrer em escalas de tempo relativamente curtas em regimes advectivos, como a dissolução de carbonato induzida por infiltração e quando os sistemas são levados longe do equilíbrio em sistemas jovens, como fundações de barragens, rejeitos de minas, cinzas volantes, cinzas vulcânicas e Injeção de CO21,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13.

Os resíduos são particularmente vulneráveis ​​à dissolução e degradação porque seus componentes são repentinamente expostos a novas condições ambientais fora do equilíbrio. Metais pesados ​​e drenagem ácida de rejeitos de minas e lagoas de cinzas volantes são os primeiros sinais de processos de dissolução em andamento14,15. Da mesma forma, alguns componentes das cinzas volantes, incluindo CaO e CaSO4, são altamente solúveis16,17. A dissolução dos grãos de cinzas de carvão contribui para a instabilidade e colapso18; por outro lado, novos minerais como zeólita e filisita podem precipitar19,20. Dissolução e reprecipitação levam a sedimentos porosos, porém cimentados, que são quebradiços e contrativos e são vulneráveis ​​à liquefação uma vez perturbados. O potencial de instabilidade do talude devido à perda de fase sólida pode afetar o descarte de resíduos (incluindo resíduos orgânicos, rejeitos de minas e cinzas de carvão).

Muitos movimentos naturais do solo envolvem alguma forma de perda de fase sólida, embora não necessariamente dissolução mineral. O congelamento-degelo repetitivo diurno ou sazonal que envolve o descongelamento de agulhas de gelo e gelo segregado causa um movimento de catraca descendente, denominado solifluction21,22,23,24. A falha da barragem de Carsington ocorreu ao longo de um plano de cisalhamento de soliflucção pré-existente dentro da camada de fundação25,26. Nas últimas décadas, a diminuição do permafrost em altas montanhas e regiões polares causou cada vez mais deslizamentos de terra27,28,29,30 e contribuiu para a desestabilização de estruturas rochosas31,32.

Da mesma forma, a dissociação de hidratos de gás é uma das principais causas de deslizamentos submarinos de grande escala33,34,35,36,37, observados no Slide Storegga38,39 e no Slide Trænadjupet40,41. A dissociação de hidratos não envolve apenas perda de massa sólida, mas também acompanha a geração e expansão de gás, o que resulta em um excesso acentuado de geração de poropressão e perda de tensão efetiva33,42. A dissociação de hidratos de gás pode ser desencadeada naturalmente por flutuações do nível do mar43 e aumento da temperatura do oceano44, e é inevitável nas proximidades das fundações da plataforma34,45. Além disso, a dissolução pode ser causada propositalmente para a produção de gás46.