Mechanical behaviour of a type of iron ore fines subjected to distinct effective stress paths under triaxial compression conditions

Abstract

Iron ore is a key raw material for the steel industry and is typically stored in large stockpiles at both mining sites and port facilities. Understanding its mechanical behaviour is essential to prevent instabilities that could lead not only to significant economic losses but also to severe accidents or even fatalities among workers, as well as disruptions in the steel supply chain. This study investigates the response of an iron ore under different effective stress paths in triaxial compression. The main objective is to characterize the material’s stress-strain behaviour, determine its shear strength parameters and failure envelope, and interpret its response within the framework of Critical State Soil Mechanics (CSSM), while assessing the influence of stress levels on its mechanical behaviour. Drained tests under constant mean effective stress (constant p'), axial loading, and lateral unloading were conducted, alongside isotropic consolidated undrained (CIU) tests. All tests were carried out under effective confinement stresses of 50, 100, and 200 kPa at a constant relative density. Additionally, the pore pressure evolution during CIU tests was monitored to evaluate the potential for liquefaction. The results show that the studied iron ore develops a unique strength envelope across different stress paths with a peak effective friction angle, φ'pk, value of 35.5° and zero cohesion. No liquefaction was observed at the relative density considered, although some stress paths exhibited contractive tendencies and the generation of positive pore pressure. In particular, lateral unloading induced an initial volumetric expansion, followed by compression. A comprehensive analysis of dilatancy facilitated a precise interpretation of the transition from expansion to contraction and enabled the determination of the Mc stress ratio for each loading condition. Most of the test data converged to the corresponding Mc value of 1.44 at the conclusion of the tests, wherein dilatancy rate values were nearly or approaching zero. Overall, this research enhances the understanding of the mechanical behaviour of iron ore under varying loading paths and confinement levels, providing valuable insights for more reliable numerical modeling and supporting the design, monitoring, and stability assessment of stockpiles in both mining and port operations.

O minério de ferro constitui uma matéria-prima de fundamental importância para a indústria do aço, sendo comum seu armazenamento em grandes pilhas tanto nas instalações da mina quanto nas portuárias. Compreender seu comportamento mecânico é crucial para prevenir instabilidades capazes de ocasionar perdas econômicas significativas, acidentes graves ou até fatalidades entre os trabalhadores, além de interrupções na cadeia de suprimentos do aço. Este estudo investiga a resposta de um minério de ferro sob diferentes trajetórias de tensão efetiva em condições de compressão triaxial. O objetivo principal é caracterizar o comportamento tensão-deformação do material, determinar seus parâmetros de resistência ao cisalhamento e a envoltória de resistência, bem como interpretar sua resposta no âmbito da Mecânica dos Solos de Estado Crítico, avaliando também a influência dos níveis de tensão em seu comportamento mecânico. Foram realizados ensaios drenados sob p' constante, carregamento axial e descarregamento lateral, além de ensaios consolidados isotropicamente não drenados (CIU). Todos os ensaios foram conduzidos sob tensões de confinamento efetivo de 50, 100 e 200 kPa, com densidade relativa constante. Além disso, a evolução da poropressão durante os ensaios CIU foi monitorada para avaliar o potencial de liquefação. Os resultados demonstram que o minério de ferro estudado desenvolve uma envoltória de resistência única para as diferentes trajetórias de tensão aplicadas, apresentando um valor de ângulo de atrito interno efetivo de pico, φ'pk, de 35,5° e ausência de intercepto coesivo. Não foi observada qualquer tendência à liquefação com a densidade relativa considerada, embora algumas trajetórias de tensão tenham exibido tendências contrativas e geração de poropressão positiva. Em caráter específico, o descarregamento lateral induziu uma expansão volumétrica inicial, seguida de compressão. Uma análise detalhada da dilatância facilitou uma interpretação precisa da transição de expansão para contração, além de possibilitar a determinação da razão de tensão Mc para cada condição de carregamento. A maior parte dos dados convergiu para o valor de Mc de 1,44 ao final dos ensaios, quando as taxas de dilatância se encontravam próximas ou alcançando zero. De modo geral, esta pesquisa aprimora a compreensão do comportamento mecânico do minério de ferro sob diferentes trajetórias de tensões e níveis de confinamento, oferecendo uma visão valiosa para modelagens numéricas mais confiáveis, bem como apoiando o projeto, monitoramento e avaliação da estabilidade de pilhas de minério de ferro, tanto em operações da mineração quanto portuárias.