Enfoque actualizado para la estimación de la resistencia al corte de enrocados sometidos a altas presiones de confinamiento

Abstract

La construcción de grandes estructuras de enrocado, como: presas, depósitos de desmonte, stockpiles, entre otros, ha ganado popularidad en proyectos mineros alrededor del mundo durante los últimos años. Sin embargo, dado que todavía su diseño es en gran medida empírico y basado en el desempeño histórico de otras estructuras, el estudio de las propiedades geomecánicas de un enrocado tiene una importancia significativa para mejorar el entendimiento del comportamiento de este tipo de estructuras. La presente tesis desarrolla un estudio completo acerca de la caracterización de la resistencia al corte de enrocados. El estudio ha incluido una revisión del estado de arte tanto de los enfoques empíricos y experimentales existentes. Adicionalmente, ha considerado la aplicación de ambos enfoques en un caso de estudio real consistente en el diseño de una presa de enrocado con pantalla de concreto (CFRD, por sus siglas en inglés) de 150 m de altura. En referencia a los enfoques empíricos, se han analizado las metodologías de Leps (1970), actualizado en Cunning & Hawley (2017), Barton & Kjærnsli (1981) y Douglas (2002). Asimismo, teniendo en cuenta que el primer enfoque corresponde a la referencia más popular para el diseño de estructuras geotécnicas de enrocados (a pesar que solo ofrece una guía limitada para considerar algunos de los factores más influyentes en la resistencia al corte de estos materiales), se ha considerado útil proponer una actualización de dicha metodología incluyendo una nueva variable denominada “origen litológico de las partículas de enrocado”, en ese sentido, se ha recopilado 189 resultados históricos publicados de ensayos triaxiales a gran escala. De la misma manera, entendiéndose las diferencias del proceso constructivo entre la conformación de una presa (que requiere de procesos de compactación) y un depósito de desmonte (que generalmente es dispuesto en un estado suelto), se han propuesto ábacos independientes de caracterización de la resistencia al corte de enrocados según el tipo de estructura. Por otro lado, respecto al enfoque experimental, en el estudio se ha llevado a cabo una revisión de las limitaciones y criterios de aplicabilidad de los principales métodos de ensayo para obtener la resistencia al corte de enrocados usando la fracción fina, tales como: método de corte (Al-Hussaini, 1983), método de corte y reemplazo (Donaghe & Torrey, 1979), método de la matriz (Sidiqqi, 1984) y método de curvas homotéticas (Lowe, 1964). Asimismo, teniendo en cuenta que este último método (curvas homotéticas) se ha verificado exitosamente para cierto tipo de materiales como gravas fluviales (Gesche, 2002 y De la Hoz, 2007) y balastos (Jernigan, 1998 y Cambio y Ge, 2007) (aunque en la práctica su aplicación se haya extendido a cualquier tipo de muestra sin ninguna verificación), la investigación presenta un análisis detallado de la aplicabilidad y verificación de la metodología de granulometrías paralelas para un material de enrocado de caliza utilizado en una presa de enrocado de 150 metros de altura, donde se han llevado a cabo ensayos triaxiales a gran escala bajo presiones de confinamiento que oscilaron entre 50 kPa a 2000 kPa. Finalmente, se han comparado los resultados obtenidos de la aplicación de los enfoques empíricos y experimentales a través de un análisis completo de estabilidad de taludes de una presa CFRD; el análisis ha incluido técnicas del Método de Elementos Finitos (FEM), como el Método de Reducción de la Fuerza (SRM) y el Método de Equilibrio del Límite (LEM) en condiciones tanto estáticas como pseudoestáticos. Los resultados obtenidos han permitido desarrollar un enfoque actualizado para la estimación de la resistencia al corte de enrocados, el cual ha sido resumido ilustrativamente en un flujograma, que puede resultar útil para el desarrollo de la caracterización geotécnica de grandes estructuras geotécnicas conformadas por enrocados.

The construction of large rockfill structures, such as: dams, waste dumps, stockpiles, among others, has gained popularity in mining projects worldwide during the last years. However, since its design is still largely based on empirical and historic performance of other structures worldwide, the study of the geomechanical properties of rockfill has a significant importance to improve the understanding of the behavior of such type of structures. The present thesis develops a comprehensive study in relation to characterization of rockfill shear strength. The study has included a review of the state-of-the-art both empirical and experimental approaches. Additionally, it has considered the application of both approaches in a real case of study consisting of the design of a 150-meter-high CFRD dam. In regard to the empirical approaches, it has been analyzed the methodologies developed by Leps (1970), updated in Cunning & Hawley (2017), Barton & Kjærnsli (1981) and Douglas (2002). In addition, taking into account that the first approach is the most popular reference for the design of rockfill geotechnical structures (although it offers a limited guidance on how to account for factors that influence the shear strength of such materials), it has been considered useful to propose an update of this methodology including a new parameter called "type of rock of rockfill particle", in this sense, 189 published historical laboratory results of large-scale triaxial tests have been compiled. Likewise, understanding the building process among a dam (which requires compaction effort) and a waste dump (which is generally disposed in a loose or uncompacted state), different charts have been proposed in order to characterize the shear strength of rockfill used in both structures. On the other hand, regarding the experimental approach, on the study has carried out a review of the limitations and applicability criteria of the main methods of testing to obtain the shear strength using the fine fraction of a coarse material, such as: scalping method (Al-Hussaini, 1983), scalping-replacement method (Donaghe & Torrey, 1979), matrix method (Sidiqqi, 1984) and parallel gradation method (Lowe, 1964). Additionally, understanding that the latter method has been successfully verified for certain types of materials such as fluvial granular materials (Gesche, 2002 and De la Hoz, 2007) and ballasts (Jernigan, 1998 and Cambio and Ge, 2007) (although in the state-of-the-practice its application is has extended to any type of sample without any verification), the research presents a detailed analysis of the use and verification of the parallel gradation method for a limestone quarry rockfill material used in a high CFRD dam, where large-scale triaxial tests have been carried out under confining pressures ranging from 50 kPa to 2000 kPa. Finally, the results from both empirical and experimental approaches have been compared through a complete slope stability assessment of a high CFRD dam including FEM-Finite Element Method techniques such as SRM-Strength Reduction Method and LEM-Limit Equilibrium Method under both static and pseudo-static conditions. The results of the present thesis have allowed to develop an updated approach for rockfill shear strength estimate, which has been summarized in an illustrative flow chart, which can be useful for the development of the geotechnical characterization of large geotechnical structures constructed by rockfill.