Estudio experimental para estimar la curva de estado crítico para relaves mediante el uso del equipo triaxial estándar instrumentado

Abstract

La mecánica de suelo en el estado crítico es el marco más destacado para entender el fenómeno de licuación estática, que viene ocurriendo desde hace muchos años en depósitos de relave en operación, tales como las fallas de las presas Merriespruit-Sudáfrica (1994), TVA Kingston-EE. UU (2008), Fundao-Brasil (2015), Cadia-Australia (2018), y recientemente Brumadinho-Brasil (2019). Y uno de los componentes claves de la teoría del estado crítico es la estimación y evaluación de la curva de estado crítico (CSL del inglés critical state line) que separa los estados contractivos de los dilatantes de la muestra en estudio, en otras palabras, proporciona información si la muestra es susceptible a licuar. En tal sentido, la presente tesis contempla el estudio experimental para estimar la curva de estado crítico para tres muestras de relaves que provienen de diferentes zonas mineras del Perú, una de granulometría fina y dos de granulometría gruesa a densidades bajas, mediante una serie de ensayos triaxiales drenados y no drenados, y bajo las recomendaciones de Jefferies y Been (2015). Para tal fin, se utilizó el equipo triaxial estándar, el que fue instrumentado con un sensor de carga interna para evitar la fricción en los registros de carga, asimismo, el pedestal del equipo triaxial fue modificado con el objetivo de controlar problemas de contorno en los esfuerzos que experimenta la muestra, además que facilite desacoplar la muestra de relave para congelarla después de ser ensayada y por último, se utilizó un adquisidor de datos en tiempo real para los sensores de desplazamiento, carga y presión de poros para obtener mediciones más precisas. Mediante las consideraciones en la configuración del equipo triaxial y en la técnica experimental se logró estimar la CSL para las tres muestras de relaves a condiciones iniciales de contenido de humedad de 8 % para una de las muestras y de 5 % para las dos restantes. Si bien es cierto, todas las consideraciones aplicadas suman a que la estimación de la CSL sea precisa, no obstante, la aplicación de la técnica de congelamiento de la muestra de relave presenta un efecto significativo en los resultados en comparación de las demás variantes, esto se observó en algunos resultados de las muestras de relaves que no fueron congeladas y, además, lo descrito fue corroborado con las recientes investigaciones de Reid et al,2021 y Viana da Fonseca et al, 2021. Los resultados de la presente investigación permitieron conocer el comportamiento mecánico de los relaves en estudio y, además, se obtuvo los parámetros en estado crítico Γ y 𝜆 que definen a la CSL para las tres muestras de relave, estos parámetros están dentro del rango de valores obtenidos en la investigación de Macedo (2020). No obstante, es necesario realizar más ensayos triaxiales a diferentes tipos de relaves considerando diferentes gradaciones y compresibilidad con la finalidad de adquirir un amplio conocimiento sobre el comportamiento mecánico de los residuos mineros para poder caracterizarlos adecuadamente y a su vez, obtener parámetros críticos más fiables, ya que estos son utilizados en simulaciones numéricas mediante modelos constitutivos para prevenir el fenómeno de la licuación estática.

La mecánica de suelo en el estado crítico es el marco más destacado para entender el fenómeno de licuación estática, que viene ocurriendo desde hace muchos años en depósitos de relave en operación, tales como las fallas de las presas Merriespruit-Sudáfrica (1994), TVA Kingston-EE. UU (2008), Fundao-Brasil (2015), Cadia-Australia (2018), y recientemente Brumadinho-Brasil (2019). Y uno de los componentes claves de la teoría del estado crítico es la estimación y evaluación de la curva de estado crítico (CSL del inglés critical state line) que separa los estados contractivos de los dilatantes de la muestra en estudio, en otras palabras, proporciona información si la muestra es susceptible a licuar. En tal sentido, la presente tesis contempla el estudio experimental para estimar la curva de estado crítico para tres muestras de relaves que provienen de diferentes zonas mineras del Perú, una de granulometría fina y dos de granulometría gruesa a densidades bajas, mediante una serie de ensayos triaxiales drenados y no drenados, y bajo las recomendaciones de Jefferies y Been (2015). Para tal fin, se utilizó el equipo triaxial estándar, el que fue instrumentado con un sensor de carga interna para evitar la fricción en los registros de carga, asimismo, el pedestal del equipo triaxial fue modificado con el objetivo de controlar problemas de contorno en los esfuerzos que experimenta la muestra, además que facilite desacoplar la muestra de relave para congelarla después de ser ensayada y por último, se utilizó un adquisidor de datos en tiempo real para los sensores de desplazamiento, carga y presión de poros para obtener mediciones más precisas. Mediante las consideraciones en la configuración del equipo triaxial y en la técnica experimental se logró estimar la CSL para las tres muestras de relaves a condiciones iniciales de contenido de humedad de 8 % para una de las muestras y de 5 % para las dos restantes. Si bien es cierto, todas las consideraciones aplicadas suman a que la estimación de la CSL sea precisa, no obstante, la aplicación de la técnica de congelamiento de la muestra de relave presenta un efecto significativo en los resultados en comparación de las demás variantes, esto se observó en algunos resultados de las muestras de relaves que no fueron congeladas y, además, lo descrito fue corroborado con las recientes investigaciones de Reid et al,2021 y Viana da Fonseca et al, 2021. Los resultados de la presente investigación permitieron conocer el comportamiento mecánico de los relaves en estudio y, además, se obtuvo los parámetros en estado crítico Γ y 𝜆 que definen a la CSL para las tres muestras de relave, estos parámetros están dentro del rango de valores obtenidos en la investigación de Macedo (2020). No obstante, es necesario realizar más ensayos triaxiales a diferentes tipos de relaves considerando diferentes gradaciones y compresibilidad con la finalidad de adquirir un amplio conocimiento sobre el comportamiento mecánico de los residuos mineros para poder caracterizarlos adecuadamente y a su vez, obtener parámetros críticos más fiables, ya que estos son utilizados en simulaciones numéricas mediante modelos constitutivos para prevenir el fenómeno de la licuación estática.