TEMA X Pistas Mineras

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TEMA X: DISEÑO ESTRUCTURAL DE PISTAS MINERAS. 1. ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE UNA PISTA MINERA. La sección transversal de una carretera o vía pública de comunicación está formada por los elementos que aparecen reflejados en la Figura nº 1:

Figura nº 1: Elementos estructurales de una carretera. Plataforma Arcén

Arcén

Calzada Carril

Carril

Bombeo

Bombeo

Capa de rodadura Base Cuneta

Cuneta

Subbase Explanada mejorada Explanada

Estos elementos son los siguientes:

Calzada: zona de la carretera destinada a la circulación, formada por dos o más carriles. Carril: es la franja longitudinal de la calzada con anchura suficiente por la que circula una sola fila de vehículos. Arcenes: ocupan las bandas exteriores a ambos lados de la plataforma, y quedan enrasados con el nivel de la calzada; sirven para el aparcamiento parcial y momentáneo de vehículos y como margen de seguridad de la calzada. Plataforma: es el conjunto formado por la calzada y los arcenes. Bombeo: es la pendiente transversal de la plataforma, desde el centro hasta sus bordes, que sirve para la evacuación de aguas hacia las cunetas. Cunetas: elementos paralelos a la calzada que sirven para la evacuación de aguas. Firme: es el conjunto de capas colocadas sobre la explanada o explanación cuyo objeto es permitir la circulación en condiciones de comodidad y seguridad. Explanada: es la superficie sobre la que se apoya el firme. Las capas que componen el firme son las siguientes: si guientes:

Capa de rodadura: revestimiento de asfalto u hormigón en contacto directo con los vehículos.

Tema X. Diseño estructural Pistas Mineras

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Base y subbase: capas de material cuyo objeto es que las presiones que llegen a la explanada sean inferiores a su capacidad portante. Explanada mejorada : capa que se sitúa inmediatamente sobre la explanada en zonas húmedas cuando por la naturaleza de ésta se presuma que pueda c ontaminar el firme. El firme de las carreteras no siempre está formado por las tres capas descritas ya que sus espesores dependen de la intensidad de tráfico prevista y de las características geotécnicas de la explanada. En el caso de las pistas mineras los firmes son más simples, estando constituidos normalmente por una sola capa estructural que eventualmente recibe un tratamiento especial en su cara superior para mejorar la rodadura, impermeabilizar o proteger frente a la erosión. En ocasiones puede diferenciarse una capa inferior (subbase) donde se colocan materiales más gruesos y de calidad algo inferior, y otra superior (base) con materiales más finos y de mejor calidad. Así pues la sección transversal tipo de una pista minera responde a la de la Figura nº 2:

Figura nº 2: Elementos estructurales de una pista minera.

Cuneta

Base

Cuneta

Subbase Explanada La elección entre los posibles tipos de firmes debe hacerse en función de criterios técnicos y económicos. Estos últimos deben tener en cuenta no solo los costes de construcción sino también los de conservación y explotación. Normalmente estos factores son más relevantes que el correspondiente a la inversión realizada para la construcción de la pista, especialmente si la pista va a tener una duración importante y va a soportar gran tráfico.

2. LA EXPLANADA. 2.1. FUNCIONES DE LA EXPLANADA. La explanada o explanación tiene dos funciones principales: a) Soportar las acciones que le son transmitidas por el firme. b) Defender el firme de la influencia no deseada de la humedad.

2.1.1.

La explanada como soporte. Como se ha dicho anteriormente la explanada es la superficie sobre la que se apoya el firme de una pista minera. Así pues, la explanada constituye el cimiento del firme y de ella depende en gran medida el comportamiento del mismo. Ello hace que sus características resistentes sean uno de los parámetros básicos, junto con las características de carga de los vehículos y el clima o condiciones de humedad en el dimensionamiento del firme. Según la teoría de Frölich, cuando una fuerza puntual P actúa sobre la superficie de una capa de terreno, esta acción se transmite verticalmente a las capas inferiores situadas a una profundidad z con respecto de ella, según la expresión:


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3

Pv

nP =

2 π z 2

donde el factor n varía de 3 a 6 según los materiales, pero en cualquier caso la acción vertical se disipa rápidamente e inversamente proporcional al cuadrado de la profundidad.

Figura nº 3: Transmisión de cargas al terreno.

Esto significa que cuando en una pista minera existen las tres capas de firme (capa de rodadura, base y subbase), las acciones del tráfico que inciden en la explanación vendrán minoradas por z 2, que en este caso es el espesor total del firme. Por lo tanto a medida que aumenta el espesor del firme la explanada recibe carga menores. En algunos casos, cuando el soporte de la pista está formado por materiales muy blandos (turberas, antiguas balsas, escombreras, etc.,) la alternativa de verter capas sucesivas de estériles hasta alcanzar una altura o espesor importante puede ser una solución viable. Otras soluciones en pistas con explanadas de pobres características portantes son las siguientes:

2.1.2.

-

Compactar adecuadamente la explanada.

-

Retirar los materiales de baja compacidad hasta alcanzar un estrato de resistencia suficiente.

-

Realizar una estabilización de la explanada mediante aditivos, como veremos más adelante.

La explanada y la humedad.

La presencia de agua en la explanada es siempre indeseable, ya que si se produce un exceso de humedad en algún punto de la misma, pueden producirse hinchamientos y retracciones, así como una pérdida en su capacidad portante, originando hundimientos parciales que acaban afectando al firme y a la superficie de rodadura. La presencia de humedad en la explanada puede tener tres orígenes: a) El agua de lluvia que no se evacua a pesar del bombeo y penetra en el firme y, a su través, en la explanación. Para evitar este efecto la pista minera se proyectará y construirá de modo


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4 que el firme no sea demasiado permeable, o de no ser esto posible, se procurará que el agua que pueda penetrar en él tenga una salida a través de una capa drenante. b) La humedad procedente del agua subterránea. Es necesario evitar que esta agua alcance el firme por capilaridad, con una adecuada compactación de la explanada y capas de drenaje. c) El agua que penetra lateralmente desde las cunetas, si no circula por ellas con suficiente fluidez. Esta agua se evita con un mantenimiento adecuado de las cunetas.

2.2. CALIDAD DE LAS EXPLANADAS. ÍNDICE C.B.R. Las explanadas pueden construirse en suelos o en roca, dependiendo de por donde discurra el trazado de la pista. Normalmente las pistas interiores de la explotación discurrirán en roca y las pistas exteriores o accesos generales discurrirán en suelos. La calidad de las explanadas en suelos puede evaluarse con la ayuda de las Clasificaciones de Casagrande y H.B.R. que estudiamos en el Tema II. En general son explanadas adecuadas las correspondientes a suelos de grano grueso en la Clasificación de Casagrande, y los grupos A-1, A-2 y A-3 de la Clasificación H.B.R. Las explanadas en roca pueden evaluarse cualitativamente de acuerdo al siguiente cuadro:

Cuadro nº 1: Clasificación de las explanadas en roca. Tipo de roca Rocas masivas y competentes Rocas masivas blandas Rocas esquistosas sanas Rocas meteorizables y degradables

Calidad Excelente Buena Buena Regular o mala

Para evaluar cuantitativamente la calidad de una explanada se emplea el índice C.B.R., del inglés California Bearing Ratio (valor soporte de California). Este ensayo, fue propuesto por la División de Obras Públicas del Estado de California en 1.927 y ha alcanzado una gran difusión a nivel mundial, siendo el método ideal para evaluar la calidad de una explanada así como dimensionar el espesor del firme como veremos más a delante. El ensayo es en realidad una prueba de punzonamiento, que se realiza sobre un suelo compactado al Proctor exigible en obra, en un molde cilíndrico de seis pulgadas de altura y cinco de diámetro, pero en condiciones de saturación, después de estar inmerso en agua durante cuatro días (Ver Figura nº 4). En líneas generales, consiste en obligar a un pistón cilíndrico de 19,35 cm 2 de sección (tres pulgadas cuadradas), a penetrar en la muestra de suelo a una velocidad constante y uniforme de 1,27 mm/minuto (0,05 pulgadas/minuto) y medir la carga necesaria para que penetre hasta 2,54 mm (0,1 pulgadas) y 5,08 mm (0,2 pulgadas). Esta carga, expresada en tanto por ciento de una carga normalizada, constituye el índice C.B.R. Las cargas normalizadas, que corresponden a un suelo tipo de piedra caliza saturada, son de 70,31 Kg/cm2 (3.000 libras) para 0,1 pulgadas, y de 105,46 Kg/cm2 (4.500 libras) para 0,2 pulgadas (Ver Figura nº 5). La prueba de penetración dura 10 minutos, y cada dos minutos, es decir cada vez que el punzón entra 0,1 pulgadas, se lee la carga aplicada, hasta que se alcanzan las 0,5 pulgadas. Llevando cargas y penetraciones a unos ejes coordenados (Ver Figura nº 5), se obtiene una curva en la que aparecen las cargas P1 y P2 precisas para alcanzar las penetraciones de 0,1 y 0.2 pulgadas. Las cargas P 1 y P2 referidas a tantos por ciento de 3.000 y 4.500 libras, respectivamente dan: M 1

=

100 P1 ; 3.000


M 2

=

100 P2 4.500

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5 De los valores M1 y M2 se toma el mayor, y ése será el valor del C.B.R. de la muestra de suelo objeto de ensayo.

Figura nº 4: Ensayo C.B.R.

Figura nº 5: Resultados del ensayo C.B.R.


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6 Empleando este ensayo, las explanadas pueden clasificarse en cinco categorías:

Cuadro nº 2: Categorías de explanadas en función de su capacidad de soporte. Categoría S0 S1 S2 S3 S4

Capacidad de soporte Muy mala Regular a mala Aceptable Buena Excelente

Índice C.B.R. C.B.R. < 3 3 < C.B.R. < 5 5 < C.B.R. < 10 10 < C.B.R. < 30 C.B.R. > 30

Las explanadas con Índice C.B.R. inferior a 3 son inadmisibles para construir una pista minera sobre ellas. La mayor parte de las rocas tienen índices superiores a 30 por lo que constituyen excelentes explanadas.

2.3. OTRAS CARACTERÍSTICAS DE LA EXPLANADA. Aunque no se consideren directamente en el dimensionamiento del firme, deben exigirse al cimiento, además de la capacidad de soporte, las siguientes características: a) Estabilidad volumétrica : es decir estabilidad del cimiento frente a los cambios de volumen que se puedan producir, tanto por hinchamientos debidos a suelos o rocas expansivos, como a asientos de suelos de buena calidad pero insuficientemente compactados o puestos en obra con excesiva humedad. b) Regularidad y homogeneidad : el firme debe descansar sobre un cimiento regular y homogéneo en la medida de lo posible, pues lo contrario llevaría a una concentración de tensiones en zonas localizadas de las capas del firme que podrían ocasionar su rotura. c) Resistencia a la erosión del agua , como se ha comentado anteriormente. d) Transitabilidad durante la construcción del firme : se pueden presentar problemas a este respecto con suelos húmedos, que no sean transitables por las máquinas empleadas en la construcción de la pista. La solución es la estabilización con aditivos o su compactación.

3. MATERIALES PARA EL AFIRMADO. 3.1. CARACTERÍSTICAS GENERALES. Como se ha visto en el apartado 2.1.1. las cargas en la superficie de un terreno se transmiten a su interior de manera tal que disminuyen de manera proporcional al cuadrado de la profundidad. Esto hace que los materiales empleados en los firmes de las pistas mineras tengan que cumplir unas mayores exigencias resistentes cuanto más arriba se encuentren dentro de la sección estructural. Normalmente los materiales empleados son estériles procedentes de la propia explotación. Por motivos económicos, sólo en casos muy especiales se recurre a materiales de calidad como los empleados en la construcción de carreteras. En la gran mayoría de los casos, la capa o capas del firme estarán formadas únicamente por materiales granulares sin ningún tipo de aglomerante, siendo los materiales de las zonas superiores (base), con respecto a los de las zonas inferiores (subbase), de mayor dureza, menor tamaño máximo, mayor regularidad, de granulometría más estricta, con menor contenidos en finos y de menor plasticidad, etc,. Normalmente en casi todas las explotaciones existen diversos tipos de estériles, por lo que debe hacerse una selección de los más idóneos. Para ello pueden seguirse las siguientes recomendaciones:


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7 -

Los materiales angulosos son preferibles a los lajosos.

-

Deben evitarse los estériles de naturaleza arcillosa o los contaminados con arcilla en proporción superior al 10%.

-

El tamaño máximo de los estériles no debe superar el 70% del espesor de la capa que se vaya a extender y compactar.

-

Los estériles deben poseer una composición granulométrica adecuada, ya que la resistencia proviene de un encaje adecuado entre elementos o partículas, de tal manera que el volumen de huecos sea el mínimo posible. Ello hace que no sean convenientes granulometrías uniformes ni excesivamente discontínuas.

Cuando se disponga de diversos tipos de rocas la selección puede hacerse de acuerdo a la siguiente tabla.

Cuadro nº 3: Selección de materiales para el firme. ROCAS ADECUADAS Diabasas, ofitas. Calizas y dolomías. Cuarcitas y pórfidos. Corneanas y grauwacas. Gabros. Conglomerados y brechas. Granitos, granodioritas y sienitas. Andesitas, basaltos y fonolitas. Areniscas cementadas Esquistos y pizarras metamórficas

ROCAS NO ADECUADAS Areniscas poco cementadas y deleznables. Margocalizas blandas. Micacitas y filitas degradables. Argilitas y limolitas. Tobas calcáreas y caliches. Anhidrita y yesos. Cualquier tipo de roca que se desintegre espontáneamente a la intemperie o se desmenuce y degrade al ser compactada o bajo el peso de cargas.

No obstante, también deberá estudiarse el empleo de las rocas clasificadas anteriormente como no adecuadas cuando se den las siguientes circunstancias: -

No existan otras de mejor calidad en el entorno.

-

Las condiciones climatológicas sean muy favorables, predominando los períodos secos.

-

Se cuente con medios adecuados para la conservación frecuente del firme.

-

Se pueda aplicar una capa de rodadura para mejorar las condiciones superficiales.

-

El empleo de materiales de aportación sea más caro que el coste de mantenimiento.

3.2. CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES PARA FIRMES. ENSAYO LOS ÁNGELES. El ensayo más sencillo para calibrar la calidad de las rocas para ser empleadas en firmes es el ensayo Los Ángeles (Ver Figura nº 6). Se utiliza una máquina que consiste en un molino de bolas de 71 cm de diámetro y 58,5 cm de generatriz. Se hace girar al molino a una velocidad constante un número de vueltas determinado. Al finalizar el proceso se toma la muestra introducida, de peso P, y se la somete a un cribado por el tamiz nº 12 de la serie ASTM (1,68 mm). Lo que queda retenido en este tamiz, se seca y se pesa, P’. La diferencia de peso entre la muestra inicial y lo retenido en el tamiz, expresado en tanto por ciento del peso inicial, es el coeficiente de desgaste de Los Ángeles. C L . . A.

=

100


P

−

P'

P

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Figura nº 6: Ensayo de Los Ángeles.

De acuerdo con los resultados de este ensayo, la calidad de la roca se establece a partir de la siguiente tabla:

Cuadro nº 4: Clasificación de las rocas de acuerdo a su coeficiente de Los Ángeles. Coeficiente de desgaste de Los Ángeles < 20 20 – 30 30 – 40 40 – 50 > 50

Calidad Excelente Buena Regular Mala Muy mala

Este criterio puede combinarse con el de resistencia de la roca a compresión simple, medida sobre probeta o en el ensayo de carga puntual. De acuerdo a este criterio, las rocas pueden clasificarse de la siguiente manera:


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Cuadro nº 5: Clasificación de las rocas de acuerdo a su Resistencia a la Compresión Simple. Resistencia a compresión (Kg/cm 2) > 200 200 – 100 100 – 50 50 – 10 < 10 3.3. MATERIALES ESPECIALES PARA FIRMES.

Calidad Excelente Buena Regular Mala Muy mala

En casos especiales, en los que se plantee el afirmado de tramos muy concretos de la pista minera para la que sea previsible una vida relativamente larga y solicitaciones especiales, cabe recurrir a emplear materiales especiales de elevada calidad, similares a los que se usan en los firmes de las carreteras. Estos materiales fabricados en plantas de trituración y clasificación son los materiales granulares tipo macadam y los tipo zahorra.

3.3.1. Materiales granulares tipo macadam. Son materiales constituidos por un conjunto de estériles de granulometría discontinua, que se obtienen extendiendo y compactando piedras de granulometría continua cuyos huecos se rellenan con un árido fino llamado recebo. La curva granulométrica del árido grueso se ajustará en la medida de lo posible a alguna de las curvas que aparecen en la Figura nº 7. En las capas de base se tratará que el tamaño máximo del árido sea lo menor posible (curvas granulométricas de la derecha).

Figura nº 7: Curvas granulométricas del árido grueso de los materiales granulares tipo Macadam.


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10 Por otro lado, el coeficiente de desgaste del árido grueso, medido por el coeficiente de Los Ángeles será inferior a 35 en capas de base e inferior a 50 en capas de subbase. El recebo será, en general, un detritus de machaqueo o un suelo local. Su granulometría estará comprendida dentro del huso que se recoge en la Figura nº 8. Figura nº 8: Huso granulométrico del recebo de los materiales granulares tipo Macadam.

Si el firme se revistiese con una mezcla asfáltica, el recebo empleado en la base habría de ser, convenientemente no plástico o, en todo caso, con un índice de plasticidad inferior a 6. En la mayoría de los casos en los que el firme no se reviste, siempre es preferible, por el problema del polvo, un recebo con una cierta plasticidad; sin embargo, el índice de plasticidad debe ser menor de 10 en climas secos y menor de 6 en climas lluviosos. En capas de subbase el recebo empleado tendrá, en todos los casos, un índice de plasticidad menor de 10. En el siguiente cuadro se dan las características de los áridos a emplear para materiales granulares tipo macadam.

Cuadro nº 6: Características de los áridos a emplear para materiales granulares tipo macadam.

Capas de base

Capas de subbase

Árido grueso Recebo Árido grueso Recebo

Elementos de machaqueo 100%

Granulometría

> 50%


Figura nº 7 Figura nº 8 Figura nº 7 Figura nº 8

Coeficiente de desgaste < 35

Plasticidad Clima seco 0 < IP < 10 Clima húmedo 0 < IP < 6

< 50 IP < 10

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3.3.2. Materiales granulares tipo zahorra. Son materiales formados por una mezcla de áridos de diversos tamaños en la que la granulometría del conjunto de los elementos que la componen es de tipo continuo. La curva granulométrica se ajustará a algunos de los husos recogidos en la Figura nº 9. En capas de base se tratará que el tamaño máximo del árido sea el menor posible.

Figura nº 9: Husos granulométricos de los materiales granulares tipo zahorra. Para capas de base el árido grueso procederá del machaqueo y trituración de piedra en al menos un 75%. Por otro lado, el coeficiente de desgaste del árido grueso, medido por el ensayo Los Ángeles, será inferior a 35 en capas de base e inferior a 50 en capas de subbase. Si el firme se revistiese, el árido fino empleado en la base habría de ser, convenientemente, no plástico o, en todo caso, con un índice de plasticidad inferior a 6. En la mayoría de los casos, en los que el firme no se reviste, siempre es preferible, por el problema del polvo , un árido fino con cierta plasticidad; sin embargo, el índice de plasticidad debe ser menor de 10 en climas secos y menor de 6 en climas lluviosos. En todas las capas de subbase el árido fino empleado tendrá, en todos los caso, un índice de plasticidad menor de 10. El siguiente cuadro muestra de manera resumida las características de los materiales granulares tipo zahorra.


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Cuadro nº 7: Características de los áridos a emplear para materiales granulares tipo zahorra.

Capas de base

Capas de subbase

Árido grueso Árido fino

Elementos de machaqueo > 75%

Granulometría

Árido grueso Árido fino

Figura nº 9 Figura nº 9

Coeficiente de desgaste < 35

Figura nº 9 Figura nº 9

Plasticidad Clima seco 0 < IP < 10 Clima húmedo 0 < IP < 6

< 50 IP < 10

4. ESTABILIZACIONES. La estabilización de un material es un proceso que tiene por objeto mejorar su resistencia a la deformación bajo carga, su durabilidad, su insensibilidad al agua, etc. De esta forma pueden utilizarse suelos marginales, como cimiento del firme y materiales granulares de estabilidad insuficiente, como capa de base o de subbase. Las estabilizaciones pueden ser mecánicas, añadiendo materiales de superiores características hasta conseguir una mezcla de propiedades aceptables, o mediante la incorporación de aditivos. Según el porcentaje de aditivo, suele hablarse de materiales mej orados y materiales estabilizados. En los materiales mejorados el aditivo incorporado no suele ser superior al 3%. La mejora conseguida se evalúa, fundamentalmente, mediante el aumento del índice C.B.R. La mejora será significativa e interesante si con aproximadamente un 1,5% de aditivo se duplica el valor del C.B.R. y con un 3% se triplica. Los materiales estabilizados son ya materiales rígidos en los que el aditivo incorporado suele ser superior al 3%, si bien por razones económicas no debe, en general, sobrepasarse un porcentaje del 7%. La calidad de la estabilización conseguida se evalúa, generalmente, mediante ensayos de compresión simple, en los que se debe sobrepasar los 20 Kg/cm2 a los siete días. El aditivo más común para una estabilización es el cemento. Estas estabilizaciones interesan especialmente cuando el material a estabilizar es granular, c on finos de plasticidad baja o media. Para suelos finos, de alta plasticidad y/o alto contenido en humedad natural, el aditivo más eficaz para proceder a su mejora o estabilización es la cal. Finalmente, cabe referirse a las estabilizaciones con aceites. Estos aceites pueden ser incluso los propios aceites que se utilizan para la maquinaria una vez usados.

5. DIMENSIONAMIENTO DE FIRMES. El dimensionamiento del firme, es decir su espesor, depende fundamentalmente de dos circunstancias: -

Las características geotécnicas de la explanada y de los materiales empleados en la construcción del firme.

-

La densidad y peso del tráfico que tiene que soportar la pista.


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13 Cuanto peores sean las características geotécnicas de la explanada y de los materiales del firme, mayor tendrá que ser su espesor. Cuanto mayor sea la densidad y el peso del tráfico de la pista, la explanada y los materiales del firme deberán contar con mejores características geotécnicas o, alternativamente, tener un espesor mayor. Para caminos rurales , el Road Research Laboratory propone el ábaco de la Figura nº 10, en donde entrando con el C.B.R. de la explanada en su intersección con la curva del tráfico correspondiente, se obtiene en ordenadas el espesor total del firme. Por ejemplo, para un C.B.R. de 10% y un tráfico de categoría C, el espesor total del firme es de 22,5 cm.

Figura nº 10: Ábaco del Road Research Laboratory para la determinación del espesor del firme.

Para pistas mineras, el Instituto Tecnológico Geominero de España propone una normalización de las secciones estructurales de firmes de pistas mineras, deducida de cálculos analíticos y considerando la experiencia de numerosas explotaciones mineras a cielo abierto. El catálogo, que aparece en la Figura nº 11, está estructurado según dos entradas: a) La capacidad portante de la explanada establecida según su capacidad de soporte medida por el índice C.B.R. de acuerdo al Cuadro nº 8 .


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Cuadro nº 8: Clasificación de las explanadas. Categoría S1 S2 S3 S4

Capacidad de soporte 3 < C.B.R. < 5 5 < C.B.R < 10 10 < C.B.R. < 30 30 < C.B.R.

b) La categoría de los vehículos, establecida según el peso total en carga o según la capacidad de carga de los volquetes, de acuerdo al Cuadro nº 9 .

Cuadro nº 9: Categoría de los vehículos. Categoría P1 P2 P3 P4

Peso total (t) < 80 < 120 < 180 < 270


Carga máxima (t) < 45 < 70 < 105 < 160

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Figura nº 11: Secciones estructurales de firmes de pistas mineras (I.T.G.E.).


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