A_71 Evaluación de la resistencia a la fricción en la interfaz de geomembranas,.pdf

 

   

 

Evaluación de la resistencia a la fricción en la interfaz de geomembranas, para su  uso en depósitos de relaves    Angela Menz (1); Gonzalo Jara (2); Ornella Vacca (3); 

  (1) Ingeniero de Proyectos, Golder Associates S.A. (2) Gerente de Proyectos, Golder Associates S.A. (3) Directora de Proyectos, Golder Associates S.A. [email protected]; Magdalena 181, Las Condes, Santiago  

Resumen   

El  uso  de  geomembranas  en  el  diseño  de  depósitos  de  relaves  tiene  variadas  aplicaciones  como  son:  control  de  filtraciones que se generan a través de la base del muro, reducción de pérdidas de agua de drenaje y revestimiento de  piscinas de recuperación de agua. En el mercado existe una gran variedad de geomembranas que son empleadas para  estos fines. Para propósitos de diseño, es necesario conocer las propiedades de cada una de ellas y la resistencia a la  fricción en la interfaz que se desarrolla en el contacto con suelos, material de drenaje y relaves.  Este  artículo  presenta los  resultados  de un  programa  de  ensayos  realizado  para evaluar la  resistencia  en  la  interfaz  entre  distintos  tipos  de  geomembranas  y  materiales  como  suelo,  material  de  drenaje  y  relaves,  para  un  rango  de  esfuerzos verticales entre 50 a 3.000 kPa. Además, al final de cada ensayo se ha realizado una completa descripción  visual,  determinación  del  espesor  y  resistencia  a  la  rotura  de  cada  geomembrana  ensayada.  Las  geomembranas  usadas han correspondido a una geomembrana de HDPE (espesor 1,5 mm) y tres tipos de geomembranas bituminosas  (Coletanche SC1, ES1, ES3).  Palabras‐Clave: geomembranas bituminosas, resistencia a la fricción   

Abstract   

The  use  of  Geomembranes  in  tailings  storage  facilities  has  many  applications  such  as  providing  seepage  control  through  dam  and reducing drainage water losses or for  pond lining. There is a wide variety of geomembrane  liners  available on the market today; so for design purposes it becomes necessary to know the properties of each of them  and the friction resistance developed at the contact with soil, tailings and drainage material.  This paper presents the results of a laboratory test program of a specific Project, conducted in order to evaluate the  interface  resistance  between  different  types  of  geomembranes  and  materials  such  as  soil,  drainage  material  and  tailings, under vertical stresses between 50 and 3.000 kPa. Additionally, visual assessment of each liner sample after  shear tests was carried out and thickness and tensile properties evaluated. The geomembrane types evaluated are a  smooth 1,5 mm HDPE geomembrane and three kinds of bituminous geomembrane (Coletanche SC1, ES1 and ES3).  Keywords: bituminous geomembrane, friction resistance   

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1  Introducción  En la actualidad, diversos tipos de geomembranas están disponibles en el mercado para su uso en  el  control  de  filtraciones  y  reducción  de  pérdidas  de  agua  en  los  tranques  de  relaves.  Considerando  estas  aplicaciones,  la  evaluación    de  la  integridad  de  distintos  tipos  de  geomembranas  en  la  interacción  con  materiales  de  distintas  características  geotécnicas,  como  pueden  ser  suelo  de  fundación,  material  de  drenaje,  arena  de  relaves  y  lamas,  tiene  gran  importancia en el diseño de depósito de relaves.  En  la  literatura  es  posible  encontrar  valores  recomendados  de  ángulo  de  fricción  en  la  interfaz  suelo  ‐  geomembranas  de  polietileno  y  de  PVC,  sin  embargo  es  escasa  la  información  relativa  a  geomembranas de tipo bituminosa. Los valores recomendados por diversos autores ([1], [2], [3])  están en un rango entre  17°  y 30° para geomembranas de polietileno de alta densidad (HDPE), y  entre 21° y 30° para geomembranas de PVC.  Con  el  propósito  de  evaluar  la  aplicabilidad  de  geomembranas  bituminosas  en  el  diseño  de  un  tranque de relaves con un muro proyectado de aproximadamente 200 m de altura, se llevó a cabo  un  programa  de  11  series  de  ensayos  de  Corte  Directo  con  distintas  configuraciones  suelo  –  geomembrana, y esfuerzos verticales comprendidos entre 50 y 3.000 kPa. Se evaluó la resistencia  a la fricción en las distintas interfaces, y, posteriormente, la variación de las características físicas  (espesor  e  integridad)  y  mecánicas  (propiedades  a  la  tracción)  de  las  geomembranas  tras  ser  sometidas a altos niveles de carga.  El programa de ensayos consideró la evaluación de 3 geomembranas bituminosas tipo Coletanche  (referencia proveedor SC1, ES1, ES3) y los resultados fueron comparados con las características de  una geomembrana de HDPE lisa. El presente artículo detalla los principales resultados obtenidos  en este estudio. 

2  Materiales utilizados   Propiedades de las geomembranas ensayadas  Las geomembranas tipo Coletanche están compuestas por un geotextil no tejido impregnado de  betún elastómero, con acabado de arena en una de sus caras (200 g/m2) y provista de un film anti  perforación en la cara opuesta. Se diferencian por espesor, resistencia a la tracción y elongación a  la rotura. Para efectos del estudio llevado a cabo, estas  geomembranas fueron ensayadas sin el  film anti perforación.   La  geomembrana  de  HDPE  corresponde  a  una  geomembrana  flexible,  compuesta  aproximadamente por un 97,5% de polietileno, de superficie lisa y 1,5 mm de espesor.  La Tabla 1 presenta las principales propiedades de las geomembranas utilizadas, correspondientes  a  espesor  y  resistencia  a  la  tracción  en  el  sentido  longitudinal  (dirección  de  la  máquina  de  fabricación), basados en datos de cada proveedor.          26 al 28 de Noviembre de 2014  www.sochige2014.cl   

 

 

Tabla 1 – Propiedades de las geomembranas utilizadas en el estudio   Tipos de Geomembrana /  Propiedades 

Geomembrana  Bituminosa SC1 

Geomembrana  Geomembrana  Geomembrana  Bituminosa ES1  Bituminosa ES3  lisa de HDPE  

Espesor (mm)  Resistencia a la tracción (kN/m)  Elongación (%) 

2,2  25  40 

3,5  22  60 

4,8  33  60 

1,5  40  700 

Referencia:  fichas  técnicas  de  Proveedor  Axter  /  Coletanche  (geomembranas  bituminosas)  y  GSE  Environmental  (geomembrana HDPE). 

  Propiedades geotécnicas de los suelos y relaves ensayados  Se  ensayaron  distintos  tipos  de  materiales,  con  el  propósito  de  representar  las  características  geotécnicas  de:  material  a  ser  usado  como  suelo  de  fundación;  material  de  drenaje;  arena  de  relaves;  y  lamas.  La  caracterización  geotécnica  incluyó  ensayos  de  clasificación  USCS,  peso  específico de los sólidos y ensayos de compactación.  Para  el  suelo  de  fundación,  se  ensayaron  dos  tipos  de  materiales  representativos  del  área  de  estudio,  identificados  como  ‘S1’  y  ‘S2’.  El  material  ‘S1’  corresponde  a  una  arena  limosa  pobremente  graduada  con  presencia  de  grava (SP ‐SM),  con  contenido  de  finos  no  plásticos  de  9,7%; y el material ‘S2’ corresponde a arena limosa (SM), con 23,4% de finos no plásticos.  Para  representar  a  un  material  que  cumpliera  las  funciones  de  dren,  se  utilizaron  agregados  manufacturados  limpios  con  cantos  angulares,  cuyas  envolventes  granulométricas  estuvieron  definidas por las dimensiones de la caja de corte directo, que para este estudio correspondieron a  cajas de dimensiones 15x15 cm y 30x30 cm.  La  arena  de  relaves  corresponde  a  una  arena  limosa  (SM)  con  17%  de  finos  no  plásticos.  Por  último, para representar a las lamas se ensayó un material correspondiente a arcillas inorgánicas  de baja plasticidad, clasificadas como CL.   En  la  Tabla  2  se  presenta  un  resumen  con  las  principales  propiedades  geotécnicas  de  los  materiales ensayados y en la Fig. 1 se muestran las curvas de distribución granulométrica de los  materiales ensayados, correspondientes a los suelos de fundación ‘S1’ y ‘S2’, y arena de relaves,  más la envolvente del material de drenaje.   Tabla 2 – Propiedades geotécnicas de los materiales ensayados  Material 

% finos 

IP 

Suelo de fundación ‘S1’  Suelo de fundación ‘S2’  Material de drenaje (15x15)  Material de drenaje (30x30)  Arena de relaves  Lamas 

9,7  23,4  0  0  17  >50 

NP  NP  NP  NP  NP  >7 

Clasificación USCS  d max (kN/m3)  SP‐SM  SM  SP / SW  GW / SW  SM  CL 

(A)

D.M.C.S. según Ensayo Proctor Modificado.  D.M.C.S. según Ensayo Proctor Estándar.  (*) Sin información de ensayos de Densidad Relativa.  (B)

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opt (%) 

21,0(A)  14,4(A) 

6,0  12,2 

(*)

‐ 

(*)

‐  (B)

17,5   20,2(A) 

15,7  10,0 

 

 

  Fig. 1 – Curvas y bandas granulometricas de los materiales ensayados 

 

3  Programa de ensayos y características de las interfaces  El  programa  de  ensayos  de  resistencia  al  corte  se  realizó  con  el  propósito  de  determinar  el  comportamiento en la interfaz suelo – geomembrana, para un rango de esfuerzos verticales entre  50 y 3.000 kPa. Los ensayos realizados consistieron en:   Ensayos  en  cajas  de  corte  directo  para  determinar  la  resistencia  a  la  fricción  entre  los  distintos materiales  y geomembrana, según norma ASTM D5321 [4];   Observación visual y verificación de la integridad de la geomembrana, posterior al ensayo  de corte directo;    Determinación de espesor, según  norma ASTM D5199 [5], y  de  propiedades  de tracción,  según  norma  ASTM D7275  [6],  para  evaluar  las  características  mecánicas  post  ensayo  de  los diferentes tipos de geomembrana.  Para evaluar la resistencia a la fricción de una geomembrana bajo el muro y el sistema de drenaje,  sólo  se  consideraron  muestras  de  geomembrana  bituminosa  (SC1,  ES1  y  ES3),  debido  a  sus  características  conocidas  de  fricción  y  alta  resistencia  al  punzonamiento.  Para  simular  esta  situación se ensayaron las interfaces geomembranas ‐ arena de relaves y geomembrana ‐ material  de drenaje, ambas montadas sobre suelo de fundación.  Para  evaluar  la  condición  del  revestimiento  del  talud  aguas  arriba  de  un  muro  y  cubeta,  se  compararon  muestras  de  geomembrana  bituminosa  SC1  y  de  HDPE,  en  su  interacción  con  suelo  natural y lamas.   Las muestras de geomembrana fueron fijadas a la mitad inferior de la caja de corte directo con el  sentido longitudinal en la dirección del corte. La fuerza de corte fue aplicada a la mitad superior de  la  caja.  En  el  caso  de  las  muestras  de  geomembrana  bituminosa,  éstas  fueron  montadas  con  el    26 al 28 de Noviembre de 2014  www.sochige2014.cl   

 

 

acabado de arena en contacto con el material de la caja superior (interfaz donde se mide el ángulo  de fricción) y la cara opuesta contra el material de soporte.   Las muestras de suelo de fundación, material de dren y relaves fueron remoldeadas al interior de  las cajas de  corte directo, de la siguiente manera:    Las muestras de suelo ‘S1’ se remoldearon a una D.M.C.S. de 20,0 kN/m3 con un contenido  de humedad de 6,0% (correspondiente al ~ 95% de la DMCS Proctor Modificado);    Las muestras del suelo ‘S2’ se compactaron a una densidad aproximada de  13,3 kN/m3 con  un contenido de humedad del 12,5% (~ 92% DMCS Proctor Modificado);    El suelo clasificado como ‘CL’ se compactó a una densidad de 19,2 kN/m3 con un contenido  de humedad del 10% (~ 95% DMCS Proctor Modificado);    Las  muestras  de  arena  de  relaves  se  compactaron  a  una  densidad  aproximada  de  14,5 kN/m3 con un contenido de humedad de 8,4% (~ 83% DMCS Proctor estándar).    El  material  de  drenaje  se  compactó  en  la  caja  de  corte  directo  a  una  DMCS  de  aproximadamente 18,1 kN/m3 con un contenido de humedad de 1,5%.  En las Tabla 3 a Tabla 6 se muestra la configuración de montaje para cada tipo de geomembrana y  los esfuerzos verticales (v) utilizados en cada serie de ensayos.   Tabla 3 – Ensayos geomembrana bituminosa SC1  Ensayo  Dimensiones caja  de corte directo   Caja superior  Geomembrana  Caja inferior  Esfuerzo vertical  (kPa) 

#1  30 cm x 30 cm 

#2  15 cm x 15 cm 

#3  15 cm x 15 cm 

#4  15 cm x 15 cm 

Suelo ‘S1’  SC1  Suelo CL  200,  400,  600,  785 

Arena de relaves  SC1  Suelo ‘S2’  50,  100,  250 

Arena de relaves  SC1  Suelo ‘S1’  800,  1.600,  2.400,  3.140 

Material de drenaje  SC1  Suelo ‘S1’  800,  1.600,  2.400,  3.140 

Tabla 4 – Ensayos geomembrana bituminosa ES1  Ensayo Dimensiones caja de corte directo Caja superior Geomembrana Caja inferior Esfuerzo vertical (kPa)

#5 15x15

#6 15x15

#7 15x15

#8 15x15

##99 30x30

Arena de relaves ES1 Suelo ‘S2’ 50, 100, 250

Arena de relaves ES1 Suelo ‘S1’ 800, 1.600, 2.400, 3.140

Arena de relaves ES1 Suelo ‘S2’ 800, 1.600, 2.400, 3.140

Material de drenaje ES1 Suelo ‘S1’ 800, 1.600, 2.400, 3.140

Material de drenaje ES1 Suelo ‘S1’ 100, 200, 400, 600

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Tabla 5 – Ensayos geomembrana ES3  Ensayo  Dimensiones caja de  corte directo   Caja superior  Geomembrana  Caja inferior  Esfuerzo vertical (kPa) 

#10#10  15x15  Material de drenaje  ES3  Suelo ‘S1’  800,  1.600,  2.400,  3.140 

Tabla 6 – Ensayos geomembrana HDPE(e=1,5mm)  Ensayo  Dimensiones caja de  corte directo   Caja superior  Geomembrana Caja inferior  Esfuerzo vertical (kPa)

 

##1111  30x30  Suelo ‘S1’  HDPE (e=1,5 mm)  Suelo CL   200,  400,  600,  785 

 

4  Resultados del programa de ensayos  Durante  la  ejecución  de  los  ensayos  de  corte  directo,  se  evaluó  mediante  observación  visual  el  comportamiento de las geomembranas, principalmente ante punzonamiento, desgarro y/o rotura,  en  la  interacción  con  los  distintos  tipos  de  materiales  y  ante  los  distintos  niveles  de  carga  utilizados.   La  observación visual realizada durante los ensayos de corte directo demostró que el ensayo de  caracterización  mecánica  de  las  interfaces  geomembrana  ‐  suelo  es  válido  hasta  esfuerzos  verticales  de  400 kPa.  Para  esfuerzos  mayores,  se  produce  rotura  (en  dirección  del  ensayo)  del  borde  de  la  geomembrana  anclado  al equipo  (Fig. 2  y  Fig. 3)  y  los  resultados  resultan  afectados.  Por este motivo, para la determinación del ángulo de fricción entre las interfaces se consideraron  sólo los ensayos con esfuerzos verticales menores a 400 kPa.   

  Fig. 2 – Interfaz Geomembrana ES1 ‐ material  de drenaje, ensayada a 600 kPa. (Ensayo #9) 

  Fig. 3 – Interfaz Geomembrana HDPE – suelo  de fundación ensayada a 785 kPa.  (Ensayo #11) 

  En la Tabla 7, se muestran los valores del ángulo de fricción en las interfaces (asumiendo cohesión  nula) y el rango de deformación donde se alcanza la resistencia máxima y residual, bajo esfuerzos  verticales v