Aplicación del ensayo SCPTu en la evaluación de la estabilidad de taludes postsismo de una pila de lixiviación

Abstract

En los últimos años en la explotación de minerales de baja ley, por medio del riego de solución en pilas, la tendencia actual muestra que el mineral que se extrae del tajo es cada vez más fino, proviene de distintas fuentes litológicas, presenta características físicas aleatorias y que apilado muestra un desempeño, mecánico e hidráulico, variable; siendo esta la problemática y justificación de la presente tesis especificados en el Capítulo I. Estas variaciones requieren ser tratadas con una herramienta que las capture, que las mida, que las proyecte en la construcción de una sección de análisis y que permita discernir qué capas de la pila son potencialmente licuables de acuerdo con la metodología aquí propuesta bajo la aplicación de sondajes SCPTu; logrado ello, el desempeño postismo de la pila de lixiviación puede ser evaluado con confiabilidad siendo este el principal objetivo de la tesis. En el Capítulo II se expone el marco teórico empleado a fin de desarrollar la tesis, donde conceptos como estado in situ del mineral lixiviado, así como resistencias no drenadas y licuadas son presentadas y asociadas a las correlaciones obtenidas por medio del empleo del SCPTu. Además, son abordados conceptos de licuación y análisis de estabilidad postsismo que son los principales puntos por estudiar en el presente trabajo de investigación. En el Capítulo III se propone una metodología de construcción de modelos geotécnicos empleando SCPTu, bajo un enfoque de características de comportamiento en reemplazo del estándar basado en características físicas. Se clasifica el mineral lixiviado en términos de su estado: contractivo o dilatante; de su tipo de comportamiento de suelo (SBT, por sus siglas en inglés); y de su permeabilidad representada por la conductividad hidráulica (KSAT). Esta última se presenta como un vínculo entre los enfoques de características de comportamiento y físicas, tan distintos en concepto, pero que requieren ser contrapuestos para proponer la equivalencia entre las mediciones de los SCPTu y la KSAT mínima en el diseño de pilas de lixiviación. Además, se desarrolla en el Capítulo III, la caracterización geotécnica basada en los registros de los SCPTu para estimar parámetros de resistencia en el mineral lixiviado para los escenarios: estático drenado; estático no drenado y postsismo. Se emplearon formulaciones empíricas para la estimación del ángulo de fricción (Φ’), relación de resistencia no drenada (Su/σ’v0) y de fluencia (Su(yield)/σ’v0). Se obtuvieron los perfiles del estado in situ del mineral, representado por el parámetro de estado (Ѱ), y con base en ellos se estimó la resistencia no drenada licuada (SuLIQ/σ’v0) bajo una formulación basada en la mecánica del estado crítico. De forma breve se bosquejaron los parámetros adoptados para la interfase y el suelo de cimentación. Según el estado de la práctica, la evaluación del potencial de licuación se realiza asumiendo un nivel freático hidrostático que cubre toda la altura de la pila, sin embargo, las pilas de lixiviación están sujetas a un régimen hidrodinámico de infiltración lo que resulta en un perfil de presiones de poro variable dependiente de la KSAT y del nivel de esfuerzo. Por lo tanto, a fin de ajustar los estándares actuales de la evaluación del potencial de licuación, en el Capítulo IV se propone también un criterio en función de las características de comportamiento in situ del mineral lixiviado dominado por finos utilizando SCPTu, la relación KSAT - tasa de riego, la distribución de cargas de presión de poros de equilibrio (u0) y el estado in situ del mineral basado en el parámetro de estado (ψ), a fin de identificar qué capas serían propensas a la licuación e incluir dichas capas en los modelos geotécnicos a fin de desarrollar la evaluación de la estabilidad postsismo. Dicho criterio es una herramienta de primer filtro para la identificación de mineral dominado por finos potencialmente licuable en concordancia con los aspectos operativos y geotécnicos de una pila de lixiviación. Finalmente, el Capítulo V presenta el análisis de estabilidad de taludes realizado tomando como base la caracterización geotécnica y la evaluación de potencial de licuación basadas en los SCPTu, desarrollando la evaluación para escenarios estático drenado, estático no drenado y postsismo, donde los dos último son representativos de la pila evaluada que presentaría zonas saturadas debido a la retención de solución. Los factores de seguridad son presentados de manera referencial, y tuvieron como objetivo mostrar las ventajas que supone el uso del enfoque de las características de comportamiento, i.e. el uso exclusivo de los SCPTu en la construcción del modelo geotécnico de la sección de análisis que comprenden los distintos estados en los que se encuentra el mineral en términos de su desempeño mecánico; algo que no hubiese sido posible de diferenciar mediante una clasificación por características físicas. La propuesta de esta forma de construcción del modelo simplifica sustancialmente la gestión de campañas geotécnicas sucesivas y mejora la confiabilidad en la extensión de las capas críticas en una pila de lixiviación que son las que están dominadas por su matriz fina. Los factores de seguridad y los modelos construidos fueron interpretados a fin de implementar un plan de acción que incluye la instalación de piezómetros de cuerda vibrante que permita monitorear de forma continua el desempeño de la pila ante la generación de cargas de presión de poros y mantener estas por debajo de un nivel de alerta con el fin de mitigar las consecuencias de un eventual desencadenamiento de la licuación en las capas identificadas como efectivamente licuables.

In recent years, the exploitation of low-grade ore through the irrigation of solution in heaps has witnessed a growing trend of finer ore, that comes from different lithological sources. This ore exhibits random physical characteristics and variable mechanical and hydraulic behaviors when stacked; this being the problem and justification of this thesis specified in Chapter I. Assessing these variations requires a tool capable of capturing and measuring them, projecting them onto an analysis section, and identifying potentially liquefiable layers within the heap. This methodology, proposed herein, is based on the application of the SCPTu test and enables reliable computation of the post-earthquake performance of the heap leach pad, this being the main objective of the thesis. In Chapter II presents the theoretical framework used to develop the thesis, where concepts such as in situ state of the leached ore as well as undrained and liquefied resistances are presented and associated with the correlations obtained through the use of SCPTu. In addition, concepts of liquefaction and post-earthquake stability analysis are addressed, which are the main points to be studied in this research. This thesis, In Chapter III, proposes a SCPTu-based geotechnical model building methodology under a behavioral-characteristics approach, intended to replace the standard physical-characteristics approach. The leached ore is classified in terms of its state: contractive or dilatant; its soil behavior type (SBT); and its permeability represented by hydraulic conductivity (KSAT). The relationship between behavioral and physical characteristics is established through KSAT, serving as a link between the two approaches. Despite their distinct concepts, it is crucial to juxtapose them to propose the equivalence between SCPTu measurements and minimum KSAT in heap leach pad design. Additionally, in Chapter III, the geotechnical characterization primarily relies on SCPTu to estimate shear strength parameters of the leached ore under different scenarios: static drained; static undrained and post-earthquake conditions. Empirical formulations were used to estimate the friction angle (Φ’), undrained strength ratio (Su/σ’v0), and yield strength ratio (Su(yield)/σ’v0). The in situ state of the soil profile, represented by the state parameter (ψ), was estimated using a formulation based on critical-state soil mechanics. Current practice in liquefaction potential assessment assumes a hydrostatic water table covering the entire height of the heap leach pad. However, heap leach pads operate under a hydrodynamic seepage regime, resulting in a variable pore pressure distribution influenced by KSAT and stress level. To address the need for adjusting current liquefaction potential assessment standards, this thesis in Chapter IV also proposes a criterion based on the in situ behavioral characteristics of the fines-controlled leached ore using SCPTu data. The criterion incorporates the KSAT - irrigation rate relationship, pore pressure at equilibrium (u0), and the in situ state of the ore represented by the state parameter (ψ). By employing this criterion, it becomes possible to identify layers that are indeed prone to liquefaction and include these layers in geotechnical models to develop post-earthquake+ stability assessment. This criterion serves as a first-screening tool for the identification of potentially liquefiable fines-controlled ore, in accordance with the operational and geotechnical considerations in heap leach practices. Finally, in Chapter V, slope stability analysis was conducted considering the SCPTU-based geotechnical characterization and liquefaction potential evaluation. The evaluation encompassed static-drained, static-undrained and post-earthquake scenarios, where the last two are representative of heaps with saturated zones due to solution retention. Factors of safety are presented as reference values, highlighting the advantages of adopting the behavioral-characteristics approach. This approach relies solely on SCPTu data to construct the geotechnical model of the analysis section, capturing the various mechanical performance states of the ore. This distinction would not have been possible through a classification based solely on physical characteristics. The proposed model construction methodology significantly simplifies the management of successive geotechnical field investigations programs and enhances reliability in identifying critical layers in a heap leach of fines-controlled ore. The factors of safety and constructed models were construed to implement an action response plan which incorporates the installation of vibrating-wire piezometers. These piezometers serve to continuously monitor the heap’s performance by measuring pore pressure heads and ensuring they remain below a designated threshold. This approach aims to mitigate the potential consequences of liquefaction in the identified layers deemed susceptible to liquefaction.