USO DE GEOMALLAS EN ACCESOS MINEROS – … · los camiones mineros, especialmente en los tramos de...

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PERUMIN – 31 CONVENCIÓN MINERA AREQUIPA, 16 al 20 de Setiembre de 2013 USO DE GEOMALLAS EN ACCESOS MINEROS – HAUL ROADS (EXPERIENCIAS EN YANACOCHA Y PIERINA) ENCUENTRO DE TECNOLOGÍA E INVESTIGACIÓN CONVOCATORIA DE TRABAJOS TÉCNICOS AUTOR Ing. Javier Alejandro Silva Burga Tecnología de Materiales S.A. Lima, Perú.

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PERUMIN – 31 CONVENCIÓN MINERA AREQUIPA, 16 al 20 de Setiembre de 2013

USO DE GEOMALLAS EN ACCESOS MINEROS – HAUL ROADS

(EXPERIENCIAS EN YANACOCHA Y PIERINA)

ENCUENTRO DE TECNOLOGÍA E INVESTIGACIÓN CONVOCATORIA DE TRABAJOS TÉCNICOS

       

AUTOR Ing. Javier Alejandro Silva Burga

Tecnología de Materiales S.A. Lima, Perú.

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USO DE GEOMALLAS EN ACCESOS MINEROS – HAUL ROADS (EXPERIENCIAS EN YANACOCHA Y PIERINA) BIAXIAL GEOGRIDS USED IN MINING ROADS (YANACOCHA AND PIERINA EXPERIENCES) AUTOR Ing. Javier Alejandro Silva Burga Tecnología de Materiales S.A. Lima, Perú. RESUMEN El presente documento pretende mostrar 2 experiencias exitosas usando geomallas, en la aplicación de mejoramiento de suelos blandos, con la finalidad de repartir uniformemente las cargas impartidas por los grandes equipos mineros, los cuales pueden llegar a pesar 380 toneladas totalmente cargados, hacia la subrasante de mina típicamente conformada por suelos con alto contenidos de limos y arcillas húmedas y saturadas. Adicionalmente este trabajo pretende mostrar que los beneficios obtenidos por usar las geomallas, no solamente se circunscriben a ahorro en costos de material de relleno o tiempos de ejecución de obra, sino que el mejor desempeño que puede alcanzarse con el uso de las geomallas permite mejorar la superficie de circulación de los vehículos mineros, reduciendo los tiempos de operación y a la vez espaciando los períodos de reparación y mantenimiento. ABSTRACT The following document pretends to demonstrate 2 successful experiences using geogrid, in the application of soft soil improvement, in order to distribute evenly the loads given by the large mining equipment, which can weigh up to 380 tonnes fully loaded, into the mine subgrade, tipically composed by soils with high quantity of silt and wet and saturate clay. Additionally, this paper aims to demonstrate that the benefits obtained by the use of geogrids are not only limited to savings in costs of filling material or execution times of work, but the best performance achieved with the use of geogrids can improve the circulation surface of the mining vehicles, reducing operational time and at the same time spacing the periods of repair and maintenance. 1.- INTRODUCCION Un problema muy común en la construcción de vías en minería, es la presencia de suelos blandos constituidos por limos y arcillas de variada plasticidad como parte de la subrasante. A lo anterior se añade que muchas minas importantes están ubicadas en zonas de altura, soportando climas agrestes con largos períodos de lluvias y heladas y con escasez de materiales granulares de buena calidad para mejoramientos, lo cual no solo dificulta los plazos de construcción e incrementa los costos de obra, sino que de manera más

preocupante, la subrasante que falle conducirá a un deterioro rápido de su estructura generando ahuellamientos en su superficie, los mismos que generan pérdidas millonarias al disminuir la velocidad de operación de los equipos mineros y aumento de costos de mantenimiento por el deterioro paulatino de las unidades mineras. Esta situación se ha resuelto tradicionalmente mediante la estabilización del suelo de diferentes maneras: material lanzado a fondo perdido, excavación y reemplazo, estabilización mecánica, estabilizaciones químicas, entre las más comunes, cuya aplicación genera efectos adversos en el medio ambiente contiguo y/o costos muy altos para la viabilidad económica de las obras. Hoy en día, el uso de geosintéticos, entre ellos las geomallas, permite un uso más eficiente de los recursos de los proyectos, el cual se puede incrementar mediante el conocimiento claro de los mecanismos de trabajo de estos materiales, así como de los beneficios que ellos brindan en una determinada situación. La colocación de una geomalla polimérica en las capas granulares de una vía, produce grandes beneficios para el mismo ya que incrementa el módulo del material granular, mejora la capacidad portante del suelo y reduce las tensiones transmitidas a las capas inferiores. 2.- OBJETIVOS Mostar los beneficios del uso de geomallas referente a:

Reducir el espesor de relleno de mejoramiento y lastre.

Facilitar las operaciones de circulación de los camiones mineros, especialmente en los tramos de subrasantes muy pobres, mediante la conformación de una plataforma de rodadura estable.

Reducir costos y tiempos de construcción. 3.- MARCO TEORICO 3.1.- Mecanismos de Refuerzo Se han identificado tres mecanismos de refuerzo de las geomallas en el refuerzo: confinamiento lateral de las partículas, mejoramiento de la capacidad portante del terreno natural y el efecto membrana tensionada (ETL 1110-1-189). Confinamiento Lateral Este mecanismo se logra a través de la trabazón de las partículas granulares con el refuerzo. Las geomallas aumentan el módulo de la capa reforzada al confinar las partículas e impedir su movimiento natural ante la aplicación de las cargas vehiculares. La trabazón mecánica aumenta la rigidez de la base reduciendo las deformaciones verticales en la interfase inferior y los ahuellamientos en la superficie de rodadura.

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Figura 6. Comparación de transmisión de esfuerzos entre las geomallas

Multiaxiales y las Biaxiales La geometría triangular brinda una estructura que logra un alto grado de rigidez en los 360 grados. Esta geometría asegura tener un confinamiento radial (Gráfico 7) para controlar el movimiento de las partículas en cualquier dirección, ayudando a garantizar el desempeño óptimo del refuerzo en la estructura del pavimento.

Figura 07. Confinamiento Radial con la geomalla Multiaxial

Este mejor desempeño como refuerzo en la estructura del pavimento ha sido comprobado por varios ensayos en campo y laboratorio. Entre estos ensayos se encuentran: • Transportation Research Laboratory (UK):

“Small - Scale Trafficking Performance Study with TX140, TX7 and BX1200”.

• Transportation Research Laboratory (UK): “Transportation Research Laboratory Full-Scale Testing with BX1100, BX1200 and TX160”.

• Building Research Establishment (UK): “Bearing Capacity Study using TX160, TXDEV y BX1200”.

• US Army Corps of Engineers Full Scale APT (USA): “Vicksburg Accelerated Pavement Test - United States Army Corp of Engineers”

• US Army Corps of Engineers Stabilization Study (USA): “Full-Scale Multistage Cyclic-Load Study with TX140, TX7 and BX1200”.

• Jie Han - Box Testing for Giroud-Han Modification (USA): “Giroud-Han Design Method - Validation / Calibration Testing with TX160 and TX7”

• LTRC Paved Box Tests: “Multistage Repeated-Load Triaxial Cell Testing with TX160”

• LTRC Triaxial Cell Testing: “Tactile Sensor Analysis of the Demonstration Box Test Using Geosynthetics – TX7”

La figura 08 muestra los resultados de uno de los ensayos realizados por el Transportation Research Laboratory (UK). Después de cada ensayo, la capa de agregados y geomalla (de ser el caso) son cuidadosamente removidas con la finalidad de medir el ahuellamiento en el tope de la subrasante. Se puede notar que la serie de geomallas del tipo multiaxial reduce significativamente los esfuerzos hacia la subrasante y por tanto reduce los ahuellamientos de manera más efectiva que las geomallas biaxiales o que la sección sin geomalla:

Figura 8. TIL Technical Centre Trafficking Device, UK

3.3.- Metodologías de diseño En agosto del 2004 y luego de más de dos décadas de investigación y uso de geomallas en aplicaciones de mejoramiento de subrasantes, los doctores J.P. Giroud y Jie Han desarrollaron y verificaron un método de diseño, basado en la metodología Giroud and Noiray (1981), que emplea la teoría de distribución de esfuerzos para calcular la presión vertical sobre la subrasante producida por las cargas vehiculares. Con esta presión se

Geomalla Multiaxial

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calcula un espesor mínimo de relleno necesario para que la subrasante pueda soportar las cargas aplicadas. Giroud-Han tienen en cuenta todas las propiedades consideradas en el método Giroud - Noiray, y adicionalmente considera las características del Módulo de Elasticidad del material de relleno, la variación del ángulo de distribución de esfuerzos con el número de pasadas de ejes equivalentes, el módulo de estabilidad de la apertura del material de refuerzo y la profundidad de ahuellamiento. Esta metodología ha sido publicada en el “Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering – ASCE” (Volumen 130 – Número 8) y en agosto del 2008, fue incluida en el “Geosynthetic Design & Construction Guidelines – Reference Manual (NHI Course No 132013)” de la Federal Highway Administration (FHWA NHI-07-092). La ecuación, propuesta por la FHWA en dicha publicación, es la siguiente: (Ecuación 01) Donde: h = Espesor de relleno (m) J = Módulo de estabilidad de la abertura del refuerzo (N-m/grados) P = Carga por eje (kN o KIPS) r = Radio del área de contacto de llanta (m) = (P/(π.p))0.5 p = Presión de inflado de llanta (kPa o PSI) N = Número de pasadas de ejes equivalentes. RE = relación de módulos = Ebg/Esg = 3.28CBRbc

0.3/CBRsg≤5. CBRbc = CBR del relleno. CBRsg = CBR de la subrasante. Nc = Factor de Capacidad de soporte del suelo de fundación: En vías no reforzadas = 3.14, en vías reforzadas con geotextiles = 5.14 y en vías reforzadas con geomallas = 5.71. fs = Factor de profundidad de ahuellamiento. s = Máxima profundidad de ahuellamiento. Fc = Factor relacionado al CBR de la subrasante en condiciones no drenadas, cu = 4.3PSI (30kPa). 4.- CASOS DE ESTUDIO Tanto Pierina (localizada en Jangas, aproximadamente a 10 kilómetros al noroeste de la ciudad de Huaraz, Departamento de Ancash) como Yanacocha (mayor mina aurífera de Sudamérica, situada a 48km al norte de la ciudad de Cajamarca), son minas con extracción a tajo abierto y están ubicadas entre los 3.400 y 4.200 metros sobre el nivel del mar, soportando climas agrestes con largos períodos de lluvias y heladas. En ambas minas, el continuo deterioro de las vías de acceso temporal (haul roads) en la zona de extracción de mineral, PAD’s, botaderos y PITS

provocado por la combinación de lluvias intensas en altura, el tipo de suelo predominantemente fino y el tránsito continuo de maquinaria pesada, ha generado pérdidas económicas ligadas básicamente al aumento en el tiempo de circulación de los camiones mineros y a los constantes gastos en mantenimiento y reparación de equipos. Siendo la totalidad de la operación minera dependiente del transporte terrestre, cualquier situación relacionada a fundaciones blandas y caminos inestables es crítica y significa pérdidas económicas considerables para las compañías. 4.1.- Caso 1: Mina Pierina El material de fundación de las vías de acarreo de la mina Pierina era variable, conformado principalmente por argílicos con alto contenidos de arcillas y cuyo CBR “in situ” fue estimado, por el departamento de geotecnia de la mina, en 2.5%. El material de relleno disponible para estabilización en mina estaba conformado por cuarzo alunita con un CBR de 60%. La vía debería ser capaz de soportar el tránsito de camiones mineros tipo Komatsu 730E de 111m3 de capacidad y 324.32 ton de peso bruto (totalmente cargados). Usando como refuerzo una geomalla, se aplicó la metodología de Giroud – Han para encontrar el espesor mínimo de relleno a instalar. El camión de diseño Komatsu 730E, en sus especificaciones técnicas, presenta una carga por eje simple de P=110ton y una presión de inflado equivalente a p=105psi. Se consideran 302 pasadas del eje de diseño de 110ton en el área a estabilizar tanto de entrada con carga, como salida sin carga (vida útil del acceso, 2 meses). Las geomallas empleadas presentan los siguientes módulos de estabilidad J1 = 0.32 N-m/grados (geomalla Tensar BX1100, en adelante tipo 1) y J2 = 0.65 N-m/grados (geomalla Tensar BX1200, en adelante tipo 2), el factor de capacidad de carga en vías reforzadas con geomallas es 5.71. Para aplicar la ecuación de Giroud – Han se empleó el software SPECTRA PAVE 3.0 versión 2.16, software de libre disposición en la web y de propiedad de Tensar International, considerando una profundidad de ahuellamiento máxima de 3.0pulgadas al final de la vida útil del acceso. Los resultados se muestran a continuación (Ver figura 9):

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Figura 17. Trintens

Figura 16. Ins

de 1.5% adicionar 1mos hasta el la siguiente

Ahorros en emejoramient

Espesor dmejoram

Calculado 239.90 141.33

88.27

de intervenctaderos es dnsitadas porpeando cadavolumen de n LIFTS o otra). El mvalores de

ansitan vo

ránsito de camioas. Sin problem

stalación del rellgeomal

a 0.60%. L de rellenomomento. Lmanera (Ve

espesor de agto Yanacoch

e relleno de iento (cm)

Requerido 240.00 145.00

90.00

ión con geoiferente, son

r vehículos pa 3 meses

material aplataformas

material de sCBR may

olquetes p

ones mineros lumas de ahuellam

leno de mejoramlla tipo 1

os resultado a los 45cLos resultadr Tabla 3):

gregado de ha

Ahorro derelleno de

mejoramien(cm) (%N/A N/

95.00 39

150.00 62

omallas en ln zonas que pesados y qa medida q

a eliminar. S secuencialsubrasante yores a 1.5esados q

uego de lluvias mientos.

miento sobre la

os cm os

e e nto %)/A .60

.50

as ya ue ue Se es es

5% ue

colacasideel 5. Lagem“asiesreorre Dmlorecorem Lareblcacosa Ladadiauelba Egedeescorerede DregeLImcoseco AclaEsdesidere

ompactan el astre de bajaaso de los Pguiente etape la geomalla.

.- CONCLUS

as geomallaeneradas po

mayor sobre aparente” can la necesidspesor. Unaeducir espesorden del 60 elleno sin refu

ebido a mejoramientoos tiempos eemplazandoompactado endimiento d

más difíciles, d

a alta rigidezeducción deanda, permampo e onstrucción aturados con

as geomallaaños por innámicas imun compactalas. Esto peaja calidad y

n el caso deeomalla adice los costostables que onstante de educían la eparación deespués de llu

esde el puneducción deeomallas enIFT’s, gener

menos uso deompactacióne traduce ontaminantes

ctualmente has geomallasstas nuevase 5 añosgnificando ue geomallas especto a la

suelo y el ma calidad) noPAD’s, sino qpa. En estas la tipo 1 co

SIONES Y R

s extruidas or los camiola subrasan

apacidad de dad de capa sola capores de relleal 70% conuerzo alguno

la reducció, las geoma

de conso entre 70por una ca

de instalacióde 1,000 a 1

z de las geoe presiones

mitiendo el aincluso dea la zona

n CBR’s men

as presentarstalación ge

mpuestas porando rellenoermitió el usy costo.

e los PAD’s ycionalmente s operativosfavorecían llos camionnecesidad

e equipos o duvias.

nto de vista e espesoren haul roadró menos ee equipo par

n de materialen una

s emitidos al

han sido ints multiaxialess geomallas s de inveun importante

dado que ofa tecnología

mejoramientoo se destruyque se consezonas se man 45cm de

ECOMENDA

distribuyen nes mineros

nte blanda, csoporte de

as de rellena de geom

eno de mejor respecto a o.

ón de esallas permitiestrucción d0 a 80cm apa de matón, bajo las,500m2 por

omallas extrs sobre laacceso del

el equipo de suelos

nores a 1%.

ron alta resienerados por los camio

o inferior y aso de relleno

y LIFT’s de Ycolaboró ens, ofreciendla circulaciónnes mineros

de mantde reconstru

ambiental, es alcanzads, PAD’s, explotación ra obtenciónl de mejoramdisminución

l medio amb

roducidas es de geometson el resustigación ye avance enfrecen un va

de geomal

o (geomalla e como en eervan hasta antiene el usrelleno sobr

ACIONES

las presiones, en un árecambiando la fundació

no de muchmalla permitramiento en e

una capa d

spesores deron aminorade accesos

de rellenterial con us condicionedía.

ruidas genera subrasant

personal dpesado d

húmedos y/

stencia a loor las cargaones minerosangular sobros locales d

Yanacocha, n la reducciódo superficien a velocidas y a la vetenimiento

ucción de vía

la importantda por labotaderos de canteras

n, transporte miento, lo qun de gaseiente.

n el mercadtría triangulaltado de máy desarrollo la tecnologílor aun mayollas biaxiales

y el la

so re

es ea la

ón ho te el

de

de ar s,

no un es

ró te de de /o

os as s, re de

la ón es ad ez

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do ar. ás o, ía or s.

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Page 10: USO DE GEOMALLAS EN ACCESOS MINEROS – … · los camiones mineros, especialmente en los tramos de subrasantes muy pobres, mediante la conformación de una plataforma de rodadura

Esta nueva geomalla, de forma hexagonal, elaborada a base de aperturas triangulares, es una estructura más estable e incrementa el confinamiento de partículas con relación a las geomallas biaxiales. 6.- REFERENCIAS GIROUD, J.P., AND HAN, J. (2004). “Design method for geogrid-reinforced unpaved roads. Part I y II – Development of design method”. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 130 (8), 775-786, 787-797. HOLTZ, R, et al., (2008). “Geosynthetic Design & Construction Guidelines”, FHWA, Publication No. FHWA NHI-07-092, NHI Course No 132013. USA. MINERA YANACOCHA S.R.L. (2008). “Procedimiento Standard de Tarea (PST) Construcción de Vías, Utilizando Geomalla Biaxial”. Cajamarca, Perú. 6pp. USACE (2003). “Use of Geogrids in Pavement Construction”, Technical Letter No. 1110-1-189, Department of Army. Washington, USA. 38pp. WEBSTER, S.L. (1992). “Geogrid Reinforced Base Courses for Light Aircraft”. Department of the Army Waterways Experiment Station (WES). Corps of Engineers. Mississippi, USA.

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