Uso do método do ponto material (MPM) para análise de ruptura hipotética de uma pilha de disposição de estéril e rejeito

dc.contributor.advisor1Souza, Tiago de Jesus
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/3445673192218333
dc.contributor.advisor1orcidhttps://orcid.org/0000-0003-0127-337X
dc.contributor.authorMaciel, José Thiago da Silva
dc.contributor.authorlatteshttp://lattes.cnpq.br/8956408929925354
dc.contributor.authororcidhttps://orcid.org/0009-0003-6337-3832
dc.contributor.refereeMarinho, Fernando Antonio Medeiros
dc.contributor.refereeLavoie, Fernando Luiz
dc.contributor.refereeLatteshttp://lattes.cnpq.br/1896550951698710
dc.contributor.refereeLatteshttp://lattes.cnpq.br/2498997626191647
dc.contributor.refereeorcidhttps://orcid.org/0000-0001-7054-4407
dc.contributor.refereeorcidhttps://orcid.org/0000-0003-1242-3708
dc.date.accessioned2026-09-25T11:00:24Z
dc.date.issued2026-07-31
dc.description.abstractThe increasing adoption of filtered tailings stacks as an alternative to conventional tailings dams has intensified the need for tools capable of assessing not only the stability of these structures but also their post-failure behavior under large-deformation conditions. Although the Finite Element Method (FEM) is widely used in geotechnical engineering, its application to the simulation of mass movements is limited by significant mesh distortion during the evolution of failure. In this context, the Material Point Method (MPM) emerges as a promising alternative, allowing large deformations and the transport of the mobilized mass to be represented more consistently. This study aimed to evaluate the applicability of MPM in simulating the hypothetical failure of a Waste Rock and Tailings Disposal Stack (PDER), investigating the evolution of the mass movement and the runout distance of the mobilized material. As a case study, the Tamanduá PDER, located at the Brucutu Mine in São Gonçalo do Rio Abaixo, Minas Gerais, Brazil, was analyzed. A two-dimensional numerical model was developed using the open-source software ANURA3D, employing geotechnical parameters obtained from laboratory tests carried out on the tailings, waste rock, and foundation materials. Initially, the stability condition of the stack was verified using the design parameters. Subsequently, three hypothetical failure scenarios were evaluated, representing progressive levels of degradation of the geotechnical properties: (A1) reduction of the strength and stiffness parameters of the starter dyke; (A2) maintenance of the dyke degradation combined with a reduction in the strength and stiffness parameters of the tailings; and (A3) combined degradation of the starter dyke and waste rock, representing the most critical condition analyzed. The simulations reproduced the formation of the failure surface, the temporal evolution of displacements, the velocity fields, and the final runout distance of the mobilized mass in three representative sections of the stack. The results showed that the progressive degradation of the geotechnical properties led to a significant increase in the mobilization of the mass, with substantial increases in displacements, velocities, and runout distance, reaching approximately 162 m in the most critical condition analyzed. The results demonstrated that MPM adequately represents mechanisms associated with large deformations and post-failure behavior, allowing the continuous evolution of the mass movement to be tracked. It is concluded that the Material Point Method is a robust tool for analyzing hypothetical failures of filtered tailings stacks, enabling the estimation of the propagation of the mobilized mass and supporting risk assessment studies and the planning of mitigation measures. In addition to demonstrating the applicability of MPM to a real mining case, this research contributes to expanding its use in Brazilian geotechnical engineering by proposing an analysis methodology based on progressive degradation scenarios of the materials composing the stack.eng
dc.description.resumoA crescente adoção de pilhas de rejeitos filtrados como alternativa às barragens convencionais tem ampliado a necessidade de ferramentas capazes de avaliar não apenas a estabilidade dessas estruturas, mas também seu comportamento pós-ruptura em condições de grandes deformações. Embora o Método dos Elementos Finitos (MEF) seja amplamente empregado na engenharia geotécnica, sua aplicação à simulação de movimentos de massa é limitada pela elevada distorção da malha durante a evolução da ruptura. Nesse contexto, o Método do Ponto Material (Material Point Method – MPM) apresenta-se como uma alternativa promissora, permitindo representar grandes deformações e o transporte da massa mobilizada de forma mais consistente. O presente trabalho teve como objetivo avaliar a aplicabilidade do MPM na simulação da ruptura hipotética de uma Pilha de Disposição de Estéril e Rejeitos (PDER), investigando a evolução do movimento de massa e o alcance do material mobilizado. Como estudo de caso, foi analisada a PDER Tamanduá, localizada na Mina Brucutu, em São Gonçalo do Rio Abaixo (MG). Foi desenvolvido um modelo numérico bidimensional no software de código aberto ANURA3D, empregando parâmetros geotécnicos obtidos a partir de ensaios laboratoriais realizados nos rejeitos, no estéril e nos materiais de fundação. Inicialmente, foi verificada a condição de estabilidade da pilha com os parâmetros de projeto. Em seguida, foram avaliados três cenários hipotéticos de ruptura, representando níveis progressivos de degradação das propriedades geotécnicas: (A1) redução dos parâmetros de resistência e rigidez do dique de partida; (A2) manutenção da degradação do dique, associada à redução dos parâmetros de resistência e rigidez dos rejeitos; e (A3) degradação conjunta do dique de partida e do estéril, representando a condição mais crítica analisada. As simulações permitiram reproduzir a formação da superfície de ruptura, a evolução temporal dos deslocamentos, os campos de velocidade e o alcance final da massa mobilizada em três seções representativas da pilha. Observou-se que a degradação progressiva das propriedades geotécnicas resultou em aumento expressivo da mobilização do maciço, com acréscimos significativos nos deslocamentos, nas velocidades e no alcance do material rompido, atingindo aproximadamente 162 m na condição mais crítica analisada. Os resultados evidenciaram que o MPM representa adequadamente os mecanismos associados às grandes deformações e ao comportamento pós-ruptura, permitindo acompanhar de forma contínua a evolução do movimento de massa. Conclui-se que o Método do Ponto Material constitui uma ferramenta robusta para a análise de rupturas hipotéticas de pilhas de rejeitos filtrados, possibilitando estimar a propagação da massa mobilizada e subsidiar estudos de avaliação de risco e planejamento de medidas mitigadoras. Além de apresentar a aplicabilidade do MPM em um caso real de mineração, esta pesquisa contribui para ampliar sua utilização na engenharia geotécnica brasileira ao propor uma metodologia de análise baseada em cenários progressivos de degradação dos materiais constituintes da pilha.por
dc.description.sponsorshipOutra
dc.identifier.citationMACIEL, José Thiago da Silva. Uso do método do ponto material (MPM) para análise de ruptura hipotética de uma pilha de disposição de estéril e rejeito. 2026. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) – Universidade Federal de São Carlos, Campus São Carlos, 2026. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/24748.por
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/20.500.14289/24748
dc.language.isopor
dc.publisherUniversidade Federal de São Carlos
dc.publisher.addressCampus São Carlos
dc.publisher.centerCentro de Ciências Exatas e de Tecnologia - CCET
dc.publisher.initialsUFSCar
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Civil - PPGECiv
dc.rights.urihttps://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
dc.subjectMétodo do Ponto Materialpor
dc.subjectPilhas de Rejeitos Filtradospor
dc.subjectComportamento Pós-Rupturapor
dc.subjectGrandes Deformaçõespor
dc.subjectMovimento de Massapor
dc.subjectModelagem Numéricapor
dc.subjectMaterial Point Methodeng
dc.subjectFiltered Tailings Stackseng
dc.subjectPost-Failure Behavioureng
dc.subjectLarge Deformationeng
dc.subjectMass Movementeng
dc.subjectNumerical Modellingeng
dc.subject.cnpqENGENHARIAS::ENGENHARIA CIVIL::GEOTECNICA
dc.subject.ods9. Indústria, Inovação e Infraestrutura
dc.titleUso do método do ponto material (MPM) para análise de ruptura hipotética de uma pilha de disposição de estéril e rejeitopor
dc.title.alternativeUse of the material point method (MPM) for analysis of hypothetical failure of waste and tailings disposal pileeng
dc.typeDissertação

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