Análisis dinámico por elementos finitos de un depósito de desmonte mediante la aplicación del modelo constitutivo HS Small

Abstract

Con el auge de la minería en nuestro país, las estructuras mineras como los depósitos de desmonte requieren de grandes capacidades de almacenamiento para satisfacer los volúmenes de desmonte que produce la operación minera. Esto ha conllevado a que en los últimos años se construyan depósitos de desmonte con alturas superiores a los 100 m. Muchas de estas estructuras, dada la realidad peruana, se encuentran en zonas de alta sismicidad con lo cual, según las normas internacionales (ICOLD, CDA) se requieren de análisis dinámicos que complementen el diseño realizado por análisis de estabilidad utilizando métodos de equilibrio límite. Aun cuando estos análisis no son exigidos por el Ministerio de Energía y Minas para su revisión y aprobación, en la práctica actual de la ingeniería, análisis dinámicos son realizados para proyectos de gran envergadura ubicados en zonas altamente sísmicas y cuya falla involucre un gran riesgo social y/o ambiental. En la actualidad, no se dispone de información documentada acerca de la realización de análisis dinámicos en estructuras mineras como los depósitos de desmonte, motivo por el cual la presente investigación describe la estrategia de modelación numérica para resolver problemas de este tipo utilizando elementos finitos y el modelo constitutivo HS Small. Para empezar se realizó una descripción de la base teórica que engloba un análisis dinámico, luego se caracterizaron geotécnicamente los materiales, a continuación se realizó el proceso de calibración y obtención de propiedades, y finalmente se describió la malla de elementos finitos y los registros sísmicos a utilizar. El modelamiento fue realizado con el programa PLAXIS, el cual es muy utilizado en la práctica actual de la ingeniería geotécnica. En la parte final de este trabajo se mostró las ventajas y desventajas de la utilización del modelo HS Small en aplicaciones dinámicas, brindando recomendaciones para su uso y señalando oportunidades de mejora. Asimismo, se describió el comportamiento sísmico del depósito de desmonte en términos de desplazamiento y deformación estableciendo el grado de seguridad del diseño analizado.

Due to the mining rise that our country is experiencing, the mining structures such as the waste rock storage facilities, require large storage capacities to meet the waste rock volumes from the mining operations. In the last years, this led to the construction of waste storage facilities with heights greater than 100 m. Most of these structures are located at high seismic zones, which is a characteristic of the Peruvian seismicity, for this reason, and based on international standards (ICOLD, CDA), dynamic analyses are required to supplement the design conducted by stability analyses by using typical limit equilibrium methods. Even though, currently these analyses are not required by the Ministry of Energy of Mines for its revision and approval, and dynamic analyses are conducted in the current engineering practice for major projects located at highly seismic zones and which failure might cause a significant social and/or environmental risk. Nowadays, there is not documented information available about dynamic analysis conducted in mining structures such as waste rock storage facilities. For this reason, this research describes the numeric modeling strategy used to solve this type of concerns by using finite element method and HS Small constitutive model. First, a description of the theoretical basis including a dynamic analysis is described; subsequently, the geotechnical characterization of materials is presented; then the calibration process and property determination is performed; and finally, the finite element mesh and the seismic records to be used into the analysis is described. Modeling was performed through PLAXIS software, which is widely used in the current geotechnical engineering practice. At the end, this work shows the advantages and disadvantages of the HS Small model in dynamic applications and also provides recommendations for its use and improvement opportunities. In addition, the seismic behavior of the waste rock storage facility, based on its displacement and strain is described, which allowed determining the degree of safety factor of the analyzed facility.