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EL DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y MANTENIMIENTO DE LOS CAMINOS
DE LA MINA
AUTOR
RJ THOMPSON PRENG, MEAUST
TRADUCCIÓN LIBRE
LUIS MACHUCA
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V5 Oct 2012 Chile
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Introducción
Este manual resume los conceptos claves y los principios del diseño de los caminos de la mina, desde la filosofía de la prestación, la resistencia al rodado, la selección de los materiales de construcción y su caracterización, los requisitos de los usuario de los caminos (camiones y conductores), a través de pruebas de rendimiento y evaluación.
El contenido se centra en los conceptos y principios de diseño en lugar de cualquier circunstancia en especial o procedimientos “convencionales” y prácticas "establecidas" a excepción de las aplicaciones específicas de casos de estudio en particular y datos de apoyo, que provienen principalmente de casos de diseño para la minas en regiones áridas y/o semiáridas. Los lectores deben considerar la potencial influencia de la administración local y las políticas reglamentarias, las variaciones climáticas o el ordenamiento operacional y en la mayoría de los casos, será necesario determinar y entender estos asuntos locales en un contexto más amplio a diferencia de los conceptos genéricos que se dan aquí. Este manual tiene como objetivo proporcionar una base sólida para el entendimiento y para guiar a los participantes a la siguiente fase de la investigación.
Se da especial atención en ayudar a los participantes en la comprensión de los principios de la prestación requerida y diseño, junto con la definición de la terminología y los recursos, con el fin de aplicar estos conceptos a las necesidades locales, los procedimientos y orden de funcionamiento. Las respuestas son proporcionadas a las prácticas de diseño de caminos de transporte y las cuestiones operativas, tales como;
¿Por qué son necesarios caminos adecuados – cuáles son los beneficios de tener una mejorada infraestructura de caminos?
¿Qué aspectos críticos operacionales deben de ser considerados en el diseño de caminos?
Equipos, materiales y métodos - ¿Qué se requiere?
¿Cómo puede usted interpretar (traducir) un diseño en técnicas prácticas de construcción?
¿Cuándo es apropiado el uso de supresores o paliativos de polvos? – y ¿Cómo selecciona el producto adecuado y su método de aplicación?
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¿Cómo calificaría o evaluaría usted el estándar del diseño de un camino?
¿Qué ve usted, qué significa y cómo usted identificaría la causa raíz de un problema del camino?
¿Cómo podría usted determinar la resistencia al rodado y que significaría el reducirla?
Siguiente a la introducción general de la terminología, de los recursos y de la clasificación de caminos, son los aspectos considerados en el diseño;
Diseños genéricos para caminos de transporte con un desempeño óptimo del camino y de la flota de camiones.
Conceptos de diseño estructural y de las capas así como de las técnicas de evaluación
Diseño funcional, incorporando la selección de materiales para la carpeta de rodado y la selección y manejo de los supresores o paliativos de polvo
Técnicas de evaluación comparativa de los estándares del camino y de su desempeño, las cuales pueden ser utilizadas como base para motivar e implementar el mantenimiento y rehabilitación del camino de transporte.
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Reconocimientos
El contenido de este curso se deriva de la investigación, del desarrollo y la aplicación de estos conceptos en las minas, este trabajo ha sido apoyado y respaldado por socios y clientes, tanto en Sudáfrica como internacionalmente. En particular, AngloCoal, Exxaro Coal, De Beers, Debswana, Xstrata , por el Technology and Human Resources for Industry Programme (DTI South Africa) y el Mine Health and Safety Council of South Africa. Además también se da el reconocimiento al Fullbright Commission (USA) y a la CDC-NIOSH por el soporte en los aspectos de la investigación. Partes del contenido incluido en este curso fueron desarrollados a partir de programas de investigación del Mine Health and Safety Council: Safety in Mines Research Advisory Commitee (Sudáfrica). El autor agradece y reconoce el apoyo recibido por parte de los subcomités de la SIMRAC y SIMOT.
Al Profesor Alex T Visser (Ingeniería Civil, Universidad de Pretoria) se le agradece y reconoce por sus contribuciones como colega y con quien muchos de los conceptos de diseño de caminos de transporte y administración se desarrollaron originalmente.
A las contribuciones de los aspectos técnicos para el diseño de caminos de transporte descritos aquí, por el Profesor GA Fourie, PS Heyns y RAF Smith de la Universidad de Pretoria, Sudáfrica.
Finalmente, a la Fundacion Caterpillar (por el reconocimiento de G2A otorgado a la WA School of Mines – Curtin University, (2010, 2011) para ayudar en el desarrollo de la entrega de este material.
Teniendo en cuenta los objetivos de este manual, y que para facilitar su lectura y la claridad de los conceptos, no se han utilizado citas en el texto, aunque el contenido se basa en gran medida en muchos de los colaboradores en este campo. El objetivo es presentar la información disponible en forma cotejada y de fácil lectura, en lugar de presentar conocimientos o conceptos nuevos sin probar. Las deficiencias o imprecisiones en las referencias de este trabajo son el resultado de la política utilizada, y no quiero dejar de agradecer a todos aquellos en cuyo conocimiento me he basado. Para ello, es posible que usted desee consultar la lista completa de los textos en los que se baso este trabajo y que constituyen la base de las directrices de diseño y construcción que se resumen aquí.
Aunque el autor y el editor han hecho todos los esfuerzos para asegurarse de la exactitud de la información que se presenta en este documento, ninguna garantía es otorgada con respecto de su precisión, exactitud o conveniencia. Es responsabilidad del lector a evaluar la exactitud de la información en particular y los métodos o directrices que se presentan en este documento, en el contexto de las condiciones reales y las situaciones y con la debida consideración a la necesidad de moderar esta información con las modificaciones específicas del lugar así como los requisitos normativos primordiales . El autor y el editor no se hacen responsables de los errores tipográficos o de otro tipo u omisiones en estas notas y no aceptamos ninguna responsabilidad por las consecuencias que surjan de la utilización de la información presentada en este documento..
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Contenido
INTRODUCCIÓN I
RECONOCIMIENTOS III
1 INTRODUCCIÓN AL DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE CAMINOS DE TRANSPORTE 1-1
Requerimientos Básicos de Diseño de los Caminos de la Mina 1-1
Diseño Empírico 1-2
Resistencia al Rodado (Rolling Resistance) – Administrar y Minimizar 1-4
Un Enfoque de Diseño Integrado. 1-7
1-8
Diseño Geométrico 1-9
Diseño Estructural 1-10
Diseño Funcional 1-10
Diseño de Mantenimiento 1-11
Requerimientos de Diseño Relacionados a Los Camiones 1-12
Camión de Volteo Articulado (ADT) 1-12
Camión de Volteo Trasero de Cuerpo Rígido (RDT) 1-13
Camión de Transporte de Bajo Perfil (BDT) 1-13
Tracto-Camión o Trailers 1-13
¿‘Diseñar’ o Solamente ‘Construir’ un Camino? 1-13
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O 2 TERMINOLOGÍA DE CONSTRUCCIÓN DE CAMINOS 2-1
¿Qué Estamos Diseñando y Construyendo? 2-1
Sub-Grado / In-Situ 2-2
Relleno 2-2
Capa de Sub-Base 2-2
Capas de Base 2-3
Capa de Rodamiento 2-3
Componentes de un Diseño de Caminos Integrado 2-4
¿Por Qué Utilizar un Enfoque de Diseño Integrado? 2-4
Diseño Geométrico 2-7
Diseño Estructural 2-9
Diseño Funcional 2-10
Diseño de Mantenimiento 2-10
Recursos Para Construcción de Caminos 2-11
¿Qué Necesita Para Construir un Camino? 2-11
Equipo Para la Construcción de Caminos 2-13
Materiales Para la Construcción de Caminos 2-19
3 DESARROLLANDO UN SISTEMA DE CLASIFICACIÓN PARA CAMINOS DE TRANSPORTE 3-1
Clasificación de Caminos de Transporte 3-1
Seleccionando y Usando los Datos Apropiados en las Guías de Diseño 3-5
4 DISEÑO GEOMÉTRICO – ESPECIFICACIONES GENÉRICAS 4-1
Diseño Geométrico – Introducción 4-1
Diseño Geométrico –Alineación Vertical 4-3
Diseño Geométrico – Alineación Horizontal (longitudinal) 4-8
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O 5 DISEÑO ESTRUCTURAL – ESPECIFICACIONES GENERICAS 5-1
Introducción al Diseño Estructural de Caminos de Transporte 5-1
Especificaciones de Construcción Genéricas 5-2
Método de Diseño California Bearing Ratio (CBR – Valor Relativo de Soporte) Método de Diseños de Curva-cubierta 5-4
Método Mecanístico de Diseño Estructural 5-7
DCP Evaluación de Materiales In-situ 5-12
Gráficos de Diseño para Camiones de Transporte Comunes 5-14
6 DISEÑO FUNCIONAL DEL CAMINO DE TRANSPORTE 6-1
Introducción al Diseño Funcional 6-1
Banco de Materiales Para la Capa de Rodamiento y Su Preparación 6-2
Selección del Material de la Carpeta de Rodado 6-4
Colocación y Compactación 6-11
La Selección y Aplicación de Paliativos Para Polvo 6-14
Introducción 6-14
Selección del Paliativo 6-16
7 MANTENIMIENTO DE LOS CAMINOS DE TRANSPORTE Y SU EVALUACIÓN DE RENDIMIENTO 7-1
Introducción al Mantenimiento 7-1
Análisis de la Causa Raíz en el Mantenimiento de Caminos 7-5
Sistemas de Administración del Mantenimiento de Caminos de TRANSPORTE 7-7
Reducción al Mínimo de los Costos a Través de la Red de Caminos 7-7
Costo de Operación de Vehículos y Resistencia al Rodado en MMS 7-10
Ejemplo de la Aplicación MMS 7-11
Evaluación Comparativa de la Resistencia al Rodado y el Rendimiento Funcional 7-14
Evaluación de la Resistencia al Rodado 7-14
Evaluación del Rendimiento Funcional 7-20
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O BIBLIOGRAFÍA I
Introducción al Diseño y Construcción de Caminos de Transporte i Un Enfoque de Diseño Integrado ii Diseño Geométrico del Camino de Transporte iii Diseño Estructural del Camino de Transporte iii Diseño Funcional del Camino de Transporte v
Mantenimiento de Los Caminos de Transporte vii Otras Referencias Electrónicas viii
1-1
1 INTRODUCCIÓN AL DISEÑO Y
CONSTRUCCIÓN DE
CAMINOS DE TRANSPORTE
Requerimientos Básicos de Diseño de los Caminos de la Mina
En sistemas de transporte basados en camiones, la red de caminos de una mina es un componente crítico y vital dentro del proceso de producción. Por lo tanto, un camino con bajo rendimiento impactará inmediatamente la productividad y los costos de producción en una mina. La seguridad de las operaciones, la productividad y extensión del ciclo de vida de los equipos y componentes son todos dependientes de caminos de transporte bien diseñados, bien construidos y bien mantenidos. Los caminos de transporte son un activo, que debe ser en conjunto con los camiones de mina que usaran éstos, ser diseñados para proporcionar un nivel específico de desempeño y contar con una rutina de mantenimiento administrada como corresponde.
Un camino de transporte bien construido permitirá que los camiones de transporte operen de manera segura y eficiente. Caminos en malas condiciones pueden presentar problemas de seguridad no sólo para los camiones de transporte sino también para todos los usuarios
Capítulo
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de estos caminos. Un camino de transporte bien diseñado, construido y bien mantenido tiene ventajas significativas para una operación minera, no menos importantes pueden ser las siguientes:
Proveer condiciones seguras para conducir y reducción en los peligros de tráfico;
Reducción en los costos de operación del camión, ciclos más rápidos: mayor productividad y bajos costos por tonelada transportada;
Reducción de los costos de mantenimiento de caminos, menos derrames, menor daño por agua debido a su acumulación, reducción de polvo y una vida de servicio más larga;
Menos presión en el tren de transmisión, en neumáticos, en chasis y suspensión: una mejor utilización de los activos y vida de los componentes, menor costo del ciclo de vida;
Mejora la vida productiva de neumáticos y aros.
Diseño Empírico
Muchos caminos de minas han sido diseñados empíricamente, basándose fuertemente en la experiencia local. Esta experiencia, que localmente es muy relevante y que a menudo realiza caminos eventualmente adecuados para el transporte, no tiene un entendimiento de los procesos de diseño de caminos y, más importante aún; si el rendimiento es de mala calidad, esta falta de entendimiento no permite que sean identificadas las causas raíz de los problemas que causan un pobre desempeño de los caminos.
Un entendimiento ad-hoc o empírico de los métodos de diseños de caminos de transporte generalmente no es satisfactorio, ya que tiene el potencial de exceder los costos, tanto de construcción como de operación, esto puede ser debido a:
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Sobre-diseño y sobre-especificado, especialmente en el caso del corto plazo, caminos de bajo volumen donde el efecto de la resistencia al rodado, aunque minimizado; no contribuye significativamente a la reducción de los costos totales, esto debido al alto costo de construcción inicial;
Costo-inferior de construcción de los caminos, puede dar lugar a fallas prematuras, excesivos costos de operación de los camiones, pérdida de productividad, y en el caso de largo plazo, un alto volumen de los caminos con elevados costos debido a los efectos por la resistencia al rodado. Caminos de transporte con un mal diseño reciben mantenimiento intensivo con mucha frecuencia, tanto así que incluso caminos bien construidos parecen tener también un mal rendimiento, esto debido a los mantenimientos intensivos necesarios para poder acomodar el mantenimiento requerido a los caminos por un mal diseño inicial.
Economías de escala y el aumento en la carga útil de los camiones de transporte, ha visto un aumento en la población de los camiones ultra-class (220t y más grandes) en
más del 40% del total de los camiones de mina utilizados. Con este aumento de tamaño, el rendimiento de los caminos de transporte puede verse comprometido, resultando en un excesivo aumento en los costos de operación. Esto se ve con frecuencia directamente como un aumento en el costo por tonelada transportada, pero también es visto como una reducción indirecta en las tasas de producción y en la vida útil y disponibilidad de vehículos y componentes – que se traduce como costos aumentados del ciclo de vida. Los costos del transporte realizado con camiones pueden representar hasta un 50% del total de los costos incurridos por una mina de superficie y cualquier ahorro generado por una mejora en los diseños y dirección beneficiará directamente a la compañía minera, esto debido a la reducción en los costos por tonelada de material transportado.
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Resistencia al Rodado (Rolling Resistance) – Administrar y Minimizar
En el centro del costo de transporte con camiones esta el concepto de resistencia al rodado (expresado aquí como un porcentaje del Peso Bruto del Vehículo (GVM) por sus siglas en Ingles (Gross Vehicle Mass)). La resistencia al rodado es expresado en términos de kg (o N), la resistencia por tonelada de GVM, donde 10kg/t = 1% de la resistencia de rodado o 1% del grado equivalente.
Es una medida de la resistencia adicional al movimiento que experimenta un camión de transporte y su influencia por la flexión del neumático, la fricción interna y lo más importante, las condiciones de carga en las ruedas y las condiciones del
camino. Estimaciones empíricas de la resistencia al rodado basadas en la penetración de los neumáticos, especifica que típicamente un aumento del 0.6% en la resistencia de rodado por centímetro penetrado por el neumático en el camino, entre el 1.5% (ruedas de ensamble radial y dual) hasta 2% (para ruedas de ensamble diagonal o individual) la resistencia es mínima.
Además de la penetración de los neumáticos, la deflexión o flexión de la superficie del camino también generará resultados similares, con el neumático del camión en marcha “mejora” (up-grade), ya que la ola de deflexión empuja hacia adelante el vehículo.
En términos generales, cuando se usan las gráficas de desempeño del fabricante de camiones, para traslados con grado hacia arriba y hacia abajo;
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Con grado contra la carga (en subida)
Grado efectivo (resistencia) % = Grado % + resistencia al rodado %
Grado con la carga (en bajada)
Grado efectivo (resistencia) % = Grado % - resistencia al rodado %
Si tomamos un ultra-camión de volteo trasero (rear dump) con capacidad de aprox. 4.2kW/t de GVM como ejemplo, en una rampa con una resistencia al rodado básica del 2%, un 1 % adicional de resistencia al rodado reducirá la velocidad del camión entre 10-13%, mientras que en una superficie plana, la velocidad será reducida entre 18 y 26%.
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Las consecuencias asociadas a la mayor resistencia al rodado son claras - por lo que, al contrario, pequeñas reducciones en la resistencia al rodamiento puede llevar a mejoras significativas en la velocidad del vehículo y la productividad.
Con estos importantes beneficios derivados de la reducción a la resistencia al rodado en el camino, ¿cómo desarrollaría usted una estrategia de mejora del negocio basada en mejoras específicas a la red de caminos de transporte? Claramente, la estrategia de mejora deberá estar basada en una auditoria formal de los caminos de la mina usando metodologías de auditorías reconocidas, para identificar las deficiencias de diseño como parte de un acercamiento más amplio de la administración del tráfico y la seguridad (de los
cuales el diseño es una de las componentes).
En lo que respecta solamente a los benéficos de diseños de caminos mejorados, las diversas soluciones que mejoran la
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Efecto de Resistencia al Rodado en Velocidad del Camión Resistencia al rodado del caso bajo (RR) = 2%
2% a 3% RR
3% a 4% RR
4% a 5% RR
Camión de volteo trasero de cuerpo rígido (RDT) 4,27kW/t peso bruto del vehículo (GVM)
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productividad necesitan ser vistas de forma integral. Por ejemplo, un tranvía-asistido (trolley) podría mejorar los tiempos del ciclo y reducir el costo por tonelada transportada, pero primeramente es necesario revisar el diseño y la administración de los caminos, antes de recurrir a soluciones que no abordan directamente las deficiencias claves – por ejemplo, una alta resistencia al rodado que conduce a una disminución de la productividad con el sistema existente. El enfoque recomendado es por lo tanto primero evaluar el alcance en que el activo (la red actual de caminos) exhibe las posibilidades de mejora en el diseño y una vez ya optimizado, revertir los recursos suplementarios para aprovechar estos beneficios a través de la interacción óptima de los activos y los recursos.
Un Enfoque de Diseño Integrado.
Muchos conceptos de la ingeniería de construcción de carreteras pueden ser adaptados en el diseño, construcción y administración de caminos de minas. Sin embargo, diferencias significativas en las cargas aplicadas, los volúmenes de tráfico, la calidad y disponibilidad de los materiales de construcción, junto con las consideraciones de la vida del diseño y los costos definidos por el usuario del camino, hace que el requisito para un diseño a la medida de las necesidades sea aparente.
Para diseñar un camino de transporte confiable y seguro, para obtener un rendimiento óptimo solo puede ser alcanzando a través de un enfoque de diseño integrado.
Si uno de los componentes del diseño es deficiente, los otros componentes no funcionarán a su máximo potencial, y el desempeño del camino se ve con frecuencia comprometido. Esto se ve más a menudo como “mantenimiento intensivo” o como camino con alta resistencia al rodado, traduciéndose en un incremento en los tiempos muertos del equipo y un aumento en el total de los costos de operación. La solución sin embargo, no es necesariamente sólo “aumento en la frecuencia de mantenimiento”; ningún aumento en la frecuencia de mantenimiento podrá arreglar un camino mal diseñado. Cada componente de la infraestructura del camino debe ser correctamente enfocado en la etapa de diseño.
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Diseño Geométrico
El diseño geométrico es comúnmente el punto de partida para cualquier camino de transporte y se refiere al trazado y alineamiento del camino en ambas direcciones; plano horizontal (radio de curvatura, etc.) y plano vertical (inclinación, declive, el gradiente de la rampa, cresta o corona, peralte de la curva), requerimiento de distancias de frenado y de visibilidad, etc., dentro de los límites impuestos por el método de explotación.
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El objetivo final es producir un diseño geométrico óptimamente eficiente y seguro. Ya existe considerable cantidad de información relacionada a buenas prácticas de ingeniería en el diseño geométrico, suficientemente para decir que un diseño óptimo, seguro y eficiente pueda ser solamente alcanzado cuando principios
sólidos de diseño geométrico son aplicados en conjunto con diseños estructurales, funcionales y de mantenimiento óptimos.
Diseño Estructural
El diseño estructural proveerá a los caminos de transporte la “resistencia” para soportar las cargas impuestas por las ruedas de los camiones durante la vida de los caminos sin la necesidad de un
excesivo mantenimiento. Los caminos de una mala calidad son comúnmente causados por la deformación de una o varias capas del camino – con mayor frecuencia materiales débiles, suaves y/o húmedos debajo de la superficie de rodado.
Diseño Funcional
El diseño funcional está centrado en la selección de los materiales de la carpeta de rodado (o superficie de rodado) donde la opción más conveniente, la cual es requerida para minimizar el grado de degradación o aumentar la resistencia al rodado en la superficie del camino.
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Los defectos en un camino pudieran surgir debido a un pobre diseño funcional, tales como los que se muestran aquí, pueden causar daño al camión, en este caso a la estructura del neumático, el aro, el puntal delantero y posiblemente al travesaño delantero, los cuales pueden estar sujetos a fallas prematuras bajo las condiciones mencionas. Un camino con muchos „defectos‟ con frecuencia tienes una alta resistencia al rodado.
Diseño de Mantenimiento
El diseño de mantenimiento identifica la frecuencia óptima de mantenimiento (rutina de clasificación) para cada sección de la red de caminos de transporte, por consiguiente el mantenimiento puede ser planeado, programado y priorizado para obtener un rendimiento óptimo y un costo total mínimo en toda la red de caminos. Esto es especialmente importante donde el mantenimiento de los activos en este caso los caminos es escaso y necesita ser usado de la mejor manera.
Un camino en malas condiciones siempre requerirá de muchas reparaciones – „o mantenimiento‟ – y trabajos por hacer. Esto disminuirá el rendimiento de los camiones debido a los malos caminos y también se verán afectados debido a los mismos trabajos de
mantenimiento. Cuanto mejor construidos estén los caminos, menor mantenimiento será requerido.
Un poco de tiempo y esfuerzo invertido en la construcción siguiendo las „especificaciones‟ resultará en beneficios a largo plazo – reducirá trabajos de reparación y mejorará el rendimiento. Un camino de transporte bien construido y bajos costos se encuentra dentro de los siguientes extremos:
El diseño y construcción de un camino que no necesita reparaciones o rutina de mantenimiento durante su vida productiva; o
Construir un camino con poco diseño, que necesitará muchas reparaciones, una rutina de mantenimiento y rehabilitación durante su vida productiva, pero muy costoso de operar.
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Aquí es donde un enfoque integral al diseño de los caminos de transporte en una mina paga dividendos – diseñando un camino que será construido y mantenido durante su vida de operación al menor costo total (de construcción y operación).
Requerimientos de Diseño Relacionados a Los Camiones
Hay varios tipos de camiones de transporte frecuentemente usados en la minería – y el diseño de un camino comienza por considerar las especificaciones básicas del camión y los requerimientos de diseño, de la siguiente manera.
Camión de Volteo Articulado (ADT)
Estos camiones a menudo son utilizados en la minería de corto plazo o en contratos de ingeniería civil y pueden ser utilizados en caminos en malas condiciones. Las cargas aplicadas sobre sus pequeñas ruedas de 7-12t de capacidad y con una gran superficie de contacto, significa que incluso un camino de transporte construido sin un buen diseño estructural probablemente será transitable aun después de varios meses de uso por estos vehículos – aunque con una alta resistencia al rodado. La falta de un diseño funcional y formal dará lugar a una alta resistencia al rodado – y otros defectos tales como el polvo que también reducirán eventualmente la productividad de la flota de camiones. En el análisis final, es necesario evaluar el costo-beneficio de la construcción de caminos de bajo costo (y no bajo) contra la reducción en la eficiencia de la flota de camiones y el alto costo por tonelada transportada. En términos generales, cuanto más largo sea el contrato de transporte, mayor esfuerzo deberá ser invertido tanto en el diseño formal, como en el programa de mantenimiento de los caminos.
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Camión de Volteo Trasero de Cuerpo Rígido (RDT)
El camión de cuerpo rígido, es comúnmente un camión de volteo posterior con 2 ejes, es mucho más dependiente de las buenas condiciones de un camino de transporte, más que un pequeño ADT. El chasis es rígido y por consiguiente menos flexible en respuesta a caminos irregulares. Sin embargo, en un camino bien construido y bien mantenido son altamente rentables cuando el largo del ciclo de transporte es limitado.
Camión de Transporte de Bajo Perfil (BDT)
Un camión de transporte de bajo perfil usa un remolque separado, el cual es remolcado por un tractor, el cual podría ser similar en diseño a un RDT – menos la caja de volteo. Nuevamente, caminos en buenas condiciones son críticos para una aplicación rentable de estos tipos de transporte - tal vez más donde las unidades de camiones tienen motores con menor potencia kW a una razón menor de GVM que un RDT. Un pobre rendimiento se hará más evidente en las rampas con mayor inclinación, si la resistencia al rodado es alta.
Tracto-Camión o Trailers
Estos camiones pueden ser modificados y diseñados para uso sobre carreteras públicas o propósito públicos, construidos con unidades multi-potencia específicamente para transportes largos dentro de la minería. El principal objetivo de estos camiones es tomar ventaja de la rentabilidad y velocidad en recorridos de transporte largos de muchos kilómetros. El diseño de caminos usado con estos camiones, necesitan obviamente la capacidad estructural, también deberá tener excelente diseño funcional, ya que debido a la combinación de velocidad más los defectos del camino aumentarían cualquier daño al camión – y cualquier defecto del camino haría más lento el recorrido del camión (por ejemplo polvo, corrugación, etc.) o podría presentar peligros de seguridad debido a la velocidad (resbaloso cuando este mojado, etc.) frustrando el propósito de la utilización de estos camiones en primer lugar.
¿‘Diseñar’ o Solamente ‘Construir’ un Camino?
¿Quién diseña los caminos construidos en su mina? ¿Usted tiene un jefe de departamento o un departamento de planeación de mina
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que suministre los diseños de pre-planificación o las especificaciones de construcción de caminos?
O, ¿es simplemente: “hoy necesitamos acceder al bloque 7N para cargar; entonces podría poner un camino de acceso al bloque para nosotros?
Su equipo de diseño es entonces el operador de bulldozer, el cual tal vez no ha tenido ningún entrenamiento formal en la construcción de caminos y no tiene ninguna noción de los estándares básicos de diseño de caminos para trabajar. Hay algunas indicaciones
sencillas “sobre qué hacer y qué no hacer” en la construcción de caminos que pueden mejorar las habilidades del operador fácilmente, haciendo del proceso de construcción más efectivo en los costos y tiempos de construcción, con un mejor resultado final.
¿Esto es parecido a cómo su mina construye los caminos? ¿Qué podría salir mal? Veamos un ejemplo sencillo.
El diagrama muestra una sección longitudinal a través del camino construido, el cual es comenzado a usar por los camiones. ¿Cuánto tiempo le tomara al camión completar el ciclo usando esta rampa con estas condiciones?
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Supongamos que un camión de 380t tipo RDT, recorriendo una rampa en subida como se muestra en el diagrama, donde la pendiente del camino varía entre 8% y 13%, y con una resistencia al rodado del 3%. Con este „diseño‟ de camino, una flota de 7 camiones podría producir 340tons/hora-camión. Sin embargo, un excesivo cambio de transmisión en el recorrido cargado (debido a los cambios de grado de inclinación) reducirá la vida efectiva del motor, del motor del tren de transmisión, de los aros y los neumáticos; y en el recorrido de regreso, podría ocurrir sobrecalentamiento.
Sin embargo, removiendo los cambios de grados (usando un grado de inclinación constante del 10.3% desde el inicio hasta la cima), con una resistencia al rodado idéntica del 3%, 470tons/hora-camión podrían ser producidas – seria un incremento del 38% o 500.000tons por año. Si se estableciera un objetivo anual de extraer 10Mtons, utilizando un diseño de camino mejorado y mejores directrices, el mismo objetivo de producción podría ser alcanzado utilizando 5 camiones en lugar de 7. Este desempeño puede ser mejorado aun más, si la resistencia al rodado es reducida de 3% a 2%.
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El cómo la resistencia al rodado afecta la productividad de su flota de camiones de transporte depende de varios factores, incluyendo el grado de inclinación de las rampas de transporte, tipo y modelo (tipo de motor, eléctrico o mecánico) de camión y el peso de la carga transportada. Una buena regla para un camión ultra-clase (con aprox. 4.2kW/t de GVM), es que:
Un incremento del 1% en la resistencia al rodado equivale a una disminución del 10% en la velocidad del camión en la rampa, o una disminución del 26% de la velocidad en el plano.
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2 Terminología de
Construcción de
Caminos
¿Qué Estamos Diseñando y Construyendo?
(Truck images courtesy of Caterpillar Inc)
La carpeta de rodado tiene que proporcionar una calzada (o carriles) para camiones la cual también debe incorporar hombros o salientes (para vehículos descompuestos o estacionados, etc.) y drenaje.
Usando el diagrama de arriba, el ancho de la carpeta de rodado es, estrictamente hablando, referido como el ancho de pavimento. El ancho de carril (para el diseño de doble carril como el mostrado arriba) se extiende para incluir los hombros o salientes en los
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bordes del camino, mientras que el ancho de la formación incluye los bordes de la carretera, bermas/muros de contención de seguridad y drenajes adicionales al mencionado anteriormente. El ancho de la formación estará relacionado con el alto de los terraplenes de tierra construidos por encima o por debajo del nivel natural del terreno en el cual el camino es construido.
Sub-Grado / In-Situ
La porción preparada de la formación en el nivel natural del terreno se conoce como sub-grado. Este es el material in-situ en el que el camino será construido. Mientras más suave sea la capa de material in-situ, más gruesas deberán ser las capas de la base que
protegerá la capa in-situ. Una pobre protección o „cubierta‟ significa que el material in-situ se deformará bajo la carga ejercida por las ruedas de los camiones y el camino se volverá muy irregular y desnivelado. Debido a que esta capa está en la parte inferior del camino, es muy costoso reparar este tipo de problemas. Sin embargo, las Especificaciones del Diseño Estructural adaptan varios tipos de material in-situ y especifican como „cubrir‟ o colocar capas de material por encima de la capa de material in-situ para una adecuada protección.
Relleno
En ocasiones referido como sub-grado, si la capa in-situ no está nivelada, el relleno usado con frecuencia para nivelar la superficie antes de comenzar la construcción. Es más fácil construir un camino una vez que la capa in-situ o el relleno esta nivelado (o “en-grado”) y la forma de la sección transversal o „prisma de carretera‟ es establecida en este nivel en las capas de relleno.
Capa de Sub-Base
Esta es la capa encima de la capa in-situ. La base de un camino bien drenado y estable es uno de los fundamentos más importantes en el diseño de caminos. Si las capas inferiores del camino no son lo suficientemente resistentes o rígidas, siempre ocurrirán hundimientos, baches y deformaciones. Cuando se utiliza un método de diseño mecánicamente determinado para caminos de
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minas sin pavimento, la base y la sub-base son combinadas en una sola capa formada con una selección de roca estéril quebrada. Si se utiliza un enfoque de diseño estructural CBR (CBR-based cover-curve), entonces la sub-base constará de material de alguna forma "más suave"
que la base y, con el método de diseño CBR, no es usual seleccionar una capa de roca estéril quebrada. La sub-base proporciona una plataforma de trabajo sobre la cual las capas de material superpuestas pueden ser compactadas.
Capas de Base
Esta es la capa inmediatamente debajo de la carpeta de rodamiento. Es importante porque “protege” el material suave debajo (in-situ o relleno) del peso del camión pasando sobre la carpeta de rodado. Cuando el peso (o carga) del camión de transporte, es aplicado a una capa débil, y suave
del material in situ o el relleno, causará que este material se desplace y eventualmente se deforme, resultando en hundimientos, baches y otros defectos estructurales similares. La selección y colocación de la capa base esta fundamentada en las Especificaciones de Diseño Estructural.
Carpeta de Rodamiento
Esta es la capa de material en la parte superior del camino, también llamada superficie. Para caminos de minas comúnmente es utilizada una mezcla de grava – pero exactamente qué composición de mezcla es lo importante - porque la carpeta de rodamiento controla el cómo se desempeña el camino y controla cómo el usuario interactúa con el camino. Tanto la seguridad y la productividad son influenciadas por el „desempeño‟ de la carpeta de rodamiento. Cuando un camino es „mantenido‟ o aplanado
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(raspado), es la carpeta de rodamiento la que trabajamos. La selección y colocación de esta capa está basada en las Especificaciones de Diseño Funcional.
Componentes de un Diseño de Caminos Integrado
¿Por Qué Utilizar un Enfoque de Diseño Integrado?
En adición a los términos relacionados con lo que estamos construyendo, hay algunos términos que se aplican y que están relacionados a cómo las actividades específicas de diseño, asociadas a lo que vamos a construir. Para hacer la metodología de construcción de caminos más fácil (y, si el diseño es sencillo - construir el camino de acuerdo con el diseño también será más fácil), el diseño se divide en un numero de „componentes‟ individuales.
Estos componentes están integrados unos con otros – y siguen una secuencia lógica y son inter-dependientes. Si uno de los componentes no está bien dirigido en la fase de diseño - ninguna cantidad de trabajos correctivos en otro componente corregirá la deficiencia de diseño subyacente (fundamental).
Como un ejemplo, observe la curva la cual es muy cerrada (en zigzag o switchbacks) que se muestra en la figura.
Inmediatamente, la carpeta de rodamiento (o superficie) se ve cuestionable - las condiciones del camino requieren de un
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mantenimiento que se lleve a cabo frecuentemente. Pero, ¿es el material de pobre calidad para la carpeta de rodamiento, o es el diseño funcional el culpable? Probablemente no - el diseño geométrico de la curva es incorrecto (el radio es muy cerrado - cerca del límite de radio de giro de un camión) resultando en un desgaste de las ruedas traseras del lado interior de un camión de doble neumático cuando pasa por la curva. Y/o produciendo separaciones mecánicas entre la banda de rodamiento del neumático en el eje delantero, del lado externo de la curva.
Eventualmente, la carpeta de rodamiento se desprenderá de la curva y la roca quebrada (la base o material in-situ) debajo del camino quedara expuesta – y en curvas en zigzag o switchbacks, ciertamente se presentarán daños a los neumáticos como resultante. Simplemente perfilar el camino no es la respuesta adecuada - un pobre diseño geométrico es la causa raíz del bajo rendimiento aquí presente.
Así, dado el hecho de que necesitamos asegurarnos que tomamos adecuadamente en consideración todos los componentes de un diseño de caminos. ¿Cómo asegurarse de que usted tomó completamente en consideración cada componente de diseño? La clave está en usar un enfoque integrado de diseño de caminos, como se ilustra en la siguiente página.
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BASIC DESIGN DATA
Truck type, wheel and axle loads
Traffic volumes
Design life of road
Construction materials available
Unit costs
STRUCTURAL
DESIGN
Performance index and limiting strain criteria
CBR or Mechanistic design
Life of road and traffic volumes
Layerworks material strengths
In-situ material
GEOMETRIC DESIGN
Truck types and key operating dimensions
Alignment in both the horizontal and vertical planes
Road width
Stopping distances
Sight distances
Junction layout
Berm walls and shoulders
Drainage design on-and off-road FUNCTIONAL
DESIGN
Wearing course selection and blending
Critical service defects
Rolling resistance progression
Maintenance frequency suitable?
MAINTENANCE
MANAGEMENT
DESIGN
VOC cost models for;
Tyres
Fuel
Repairs, parts and labour
Road maintenance cost models for;
Grader blading
Water-car operation
Road maintenance schedule for minimum total road-user costs across network
Schedule appropriate for road maintenance assets?
STABILISATION
APPLICATION
OPTIONS
Match stabilisationproduct to layer specifications
Evaluate application rates
Safety and health implications
Cost effective?
PALLIATIVE
APPLICATION
OPTIONS
Match stabilisationproduct to wearing course specifications
Evaluate application rates
Performance of palliatives
Re-application rates
Cost effective option?
MODIFY WEARING COURSE MATERIAL
DUST EMISSIONS
ACCEPTABLE
PERFORMANCE
OPTIMUM FOR SAFETY
& MINIMUM TOTAL
ROAD-USER COSTS
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Diseño Geométrico
Una vez que los datos del diseño de caminos básico o los parámetros han sido establecidos, el diseño geométrico es el punto de partida del enfoque „integrado‟ para el diseño de caminos.
El diseño geométrico se refiere al arreglo y alineamiento del camino en:
El plano vertical – aquí diseñamos para seguridad y eficiencia
Distancias de visión y frenado, y
Gradientes de inclinación, declinación o de rampa; y
El plano horizontal - aquí diseñamos para seguridad y eficiencia
Ancho del camino
Curvatura de las curvas
Zigzag (Switchbacks) – caminos con curvas cerradas son siempre problemáticos en los diseños de caminos – radios de curvatura lentos y ajustados,
Peralte (terraplén)
Run-out o transición de salida
Pendiente transversal o gradiente, y
Ubicación de intersecciones.
También están incluidos en el diseño geométrico los siguientes:
Bermas (paredes)
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Una barrera tipo „New Jersey‟ es una berma al borde del camino – ¿pero cuáles son los requerimientos de diseño? - ¿detener o prevenir al camión? En este caso, solamente desviará temporalmente al camión.
Diseños de bermas medianas también son consideradas en este componente de diseño.
Drenaje
Agua en el camino. No importa que tan bueno sea el diseño, el
agua siempre
dañará el camino de una mina. Mantener el
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agua fuera de los caminos – o por lo menos alejar el agua fuera del camino tan pronto sea posible – pero sin causar una erosión-cruzada de la carpeta de rodamiento. Un componente crítico para cualquier diseño geométrico es un mapa topográfico del terreno mostrando los contornos de elevación y las direcciones de drenaje alrededor del camino. Asegúrese de que el agua es alejada del camino y no solamente dejarla que se filtre en el material in-situ. Así como veremos más tarde – el agua debilita el camino y puede ser la causa de muchos defectos en el camino.
Diseño Estructural
Este se refiere al diseño de las capas que conforman el camino – normalmente este diseño se realiza una vez que el diseño geométrico se ha completado.
Como se ve aquí, la base (compactada) colocada directamente encima del material in-situ debe prevenir que el in-situ este muy cerca a la superficie del camino donde puede ser muy susceptible a deformación como resultado de la aplicación de la carga
aplicada por los neumáticos del camión. Esta capa en la base (selección de roca estéril quebrada) es en la punta, depositada en forma de prisma (para acomodar el peralte (corona) o el gradiente) dándole por lo menos el espesor mínimo especificado a lo ancho del camino (calzada) y después se compacta y puede ser cubierta en caso de ser necesario con una capa de material duro quebrado para crear el espesor y resistencia critica que requiere el diseño.
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Diseño Funcional
Este se refiere a la carpeta o superficie de rodado; cómo elegir el mejor material para la carpeta de rodado, y cómo reaccionará a los recorridos de los camiones sobre la capa y al ambiente en el que opera.
Primordialmente aquí hay algunas consideraciones:
Generación de polvo, visibilidad para todos los usuarios, adecuada distancia de visibilidad, en conjunto con adhesión (tracción) resistencia al deslizamiento en seco;
Transitable durante clima mojado, resistencia al deslizamiento en mojado; y
Minimizar el ritmo de deterioro de la superficie (o el incremento de ritmo en resistencia al rodado)
Diseño de Mantenimiento
Como se mencionó anteriormente, no podemos darnos el lujo de gastar en la construcción de caminos de mina que no requieran mantenimiento, sin tener que recurrir al uso de materiales caros y técnicas de construcción muy costosas. A menudo se incorporan selladores bituminosos o concretos asfalticos (mezcla de asfalto caliente), estos diseños de caminos deben de ser evaluados por la mina caso-por-caso para determinar si el costo extra se justifica por el incremento en la velocidad de tráfico y la reducción en los costos de mantenimiento. Caminos de largo plazo y de alto volumen de tráfico (idealmente en conjunto con camiones de transporte pequeños) son a menudo fácil de justificar, pero para cortos plazos, caminos con bajo volumen de tráfico generalmente no son rentables para ser pavimentados.
Para caminos sin sellar o sin pavimentar (superficie de rodado con grava), dado a las técnicas de construcción y materiales menos que óptimos, lo que podemos hacer es estimar cuánto mantenimiento (perfilado, riego y repavimentación) de la capa de rodado es requerido y con qué frecuencia. El deterioro que ocurre por lo general es estrechamente asociado con la resistencia al rodado, el
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cual, se discutió anteriormente, afecta directamente el costo por tonelada transportada. Cuanto más rápido el camino se deteriore, mas rápido se incrementará la resistencia al rodado.
Si entendemos qué tan rápido un camino se deteriora, podremos planear que tan frecuente
necesitamos responder a esa deterioración para „arreglar' el camino nuevamente (o reducir la resistencia al rodado). Una vez
que observamos la red de caminos, entonces podemos comenzar a asignar prioridades para mantener una buena relación en términos de costo-beneficio, estableciendo los aspectos particulares de un camino comparado con otro, donde el costo es el costo de reparar el camino, mientras que el beneficio debe estar asociado con la mejora de la seguridad en el camino, reducción de la resistencia al rodado, –incrementando las velocidades de transporte–, reduciendo el consumo de combustible y por último la reducción del costo por tonelada transportada.
Recursos Para Construcción de Caminos
¿Qué Necesita Para Construir un Camino?
Un camino es construido de acuerdo a un diseño, y ese diseño constituye la base de:
Recomendaciones de construcción (“qué” debe hacer), y
Especificaciones del método (“cómo” debe hacerlo).
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También necesita los recursos para hacer un camino. Estos recursos son típicamente:
El tiempo – todo toma tiempo – construir un buen camino toma tiempo, pero también lo es para un mal camino. Lo que hace la diferencia es como el tiempo es utilizado – ¿está haciendo las cosas correctas?
Las personas – deben de planear y hacer su trabajo, y tener la habilidad de evaluar que es lo que han hecho - ¿usted sabe si ha estado haciendo lo correcto?
Los equipos – hacen su trabajo – el equipo equivocado tal vez parece que realiza su trabajo, pero o:
toma demasiado tiempo, o
no hace el trabajo de acuerdo a las especificaciones.
Los materiales – estos forman el camino. Materiales incorrectos pueden parecer que son satisfactorios, pero cuando el camino es construido y son usados, solamente entonces se verá que sus materiales eran inapropiados. Podemos seleccionar nuestros materiales para la construcción y construir con ellos, pero no podemos seleccionar fácilmente los materiales in-situ sobre el cual el camino será construido.
Todos estos recursos cuestan dinero y un diseño de camino y un proyecto de construcción de caminos debe de tener el objetivo de obtener „valor por el dinero‟ a partir de una combinación de todos los recursos. En las especificaciones del diseño de caminos, equipos y materiales son comúnmente especificados. En la siguiente sección veremos estos con más detalle.
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Equipo Para la Construcción de Caminos
Bulldozer (D9 o mayor, 45tons, 300kW) y Wheeldozer (asistente)
Usado primariamente para nivelar y dar forma a la capa in-situ y seleccionar roca estéril quebrada o fragmentada que servirá de base o las capas de material in-situ (si un camino es construido en una mina con material fragmentado). El bulldozer deberá ser capaz de darle forma a la capa de roca (a la base) sobre la que el camino será construido. Para hacer esto, deberá de ser capaz de raspar y nivelar el material suelto si es requerido, empujarlo para perfilarlo (o nivelarlo) y remover rocas de gran tamaño.
También deberá de ser capaz de abrir y esparcir roca vaciada por los camiones como parte del proceso de construcción. Al hacer esto, el bulldozer será también parte del proceso de compactación y formara una superficie lisa sobre la cual el vibrador o compactador de rodillo operara. Mientras más grande sea el bulldozer, mayor será la resistencia inicial de la capa de roca y los requerimientos de compactación serán reducidos (pero no eliminados).
El bulldozer idealmente necesitará usar un sistema CAES o similar para empujar el material en la base del camino o el material in-situ para obtener el perfil requerido. Recuerde que este perfil deberá de ser alineado tanto en el plano horizontal como en el plano vertical.
Un wheeldozer también puede ser usado para asistir al bulldozer de orugas, pero NO como equipo primario. Esto es porque el material quebrado o fragmentado causado por el bulldozer es útil en la preparación de un acabado a las capas de la base o del material in-situ – un efecto no fácilmente logrado por un wheeldozer.
Equipo de compactación
La compactación es crítica para el éxito de un proyecto de construcción de caminos. Con un pequeño, ligero camión de transporte en operaciones de transporte de muy corto plazo, la compactación en ocasiones no es requerida por que el bulldozer puede compactar las capas suficientemente. Sin embargo, cuando camiones muy grandes son usados, la compactación realizada con el bulldozer no es suficiente (ya que éste no compacta profundamente entre las capas) y un rodillo vibrador con tambor de acero grande, impacta (o un rodillo de arrastre como último recurso) es necesario para sacudir las capas inferiores, unir los materiales, incrementar su densidad y fundamentalmente incrementar su resistencia.
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Rodillo vibrador
Un rodillo vibrador grande (230kN de fuerza vibratoria) puede ayudar en la compactación de las capas – especialmente en material in-situ compuesto de grava, relleno, en la sub-base, la base y en la superficie de rodado. Para compactar el
material de la carpeta de rodado, un rodillo vibrador puede ser usado con o sin vibración. Este compactador es superior a cualquier otro tipo de equipos de compactación para esta capa.
Rodillo de Impacto
Preferiblemente, un rodillo de impacto grande debe ser usado para trabajo de compactación entre capas (especialmente en la capa base de roca fragmentada) – la ventaja con este tipo de equipo es el reducido número de „pasadas‟ requeridas para lograr la compactación
requerida – por lo tanto la reducción del costo unitario de construcción es reducido. Típicamente, un rodillo de impacto de 25kJ (o más grande) puede ser utilizado, remolcado por un tractor 4x4 de tamaño grande. El grado de compactación especificado en una capa es usualmente „hasta que se vea que no hay mas movimiento debajo del rodillo‟. Alternativamente, un sistema de „compactación inteligente‟ puede ser usado para identificar cuando la compactación haya sido completada, por ejemplo (con rodillos de tambor de acero) el sistema medidor de compactación Caterpillar (Caterpillar's Compaction Meter Value - CMV) o el método Bomag Evibe. La mayoría de los contratistas pueden suministrar rodillos de impacto sin embargo, también puede ser una pieza útil de planta en la mina ya que puede ser utilizado con gran efectividad en la preparación de caminos para los botaderos, en la compactación de la cima de los vertederos (parte superior de los puntos de descarga), y nivelación de la cubierta de la superficie en las áreas
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de cargado, que siempre es un área donde potencialmente se producen más daño a los neumáticos.
Compactadora Grande de Rodillo Patas de Cabra o Rodillo de Cuadricula
No debe de ser usada durante la compactación primaria. Un rodillo patas de cabra vibrador ayuda a quebrar y reducir el tamaño de material grande. El rodillo de patas de cabra es también útil en la preparación de la superficie de rodado, si agregados duros y relativamente grandes son usados. El rodillo quebrará el material en bloques y lo compactará, resultando en una superficie resistente, al desgaste y a la erosión. Sin embargo, esta „reducción‟ no ocurrirá muy profundamente entre la capa – así que deberá de tener cuidado si se utiliza este equipo debido a que las rocas de gran tamaño no solamente están „ocultas‟ debajo de una delgada capa de material fino. Si este fuera el caso, el material de gran tamaño pronto será expuesto afuera en la superficie y hará difícil el raspado y nivelado del camino (debido en realidad a la pérdida de grava del camino durante el tráfico y a consecuencia de la exposición del material en bloques)
Motoniveladora (16ft -24ft, hoja ancha o equivalente)
Una motoniveladora es usada durante la construcción:
Para separar y esparcir el material de roca triturada como un inicio o reducir la delgada capa superior, de la capa base de roca quebrada.
Para separar y esparcir los materiales seleccionados que serán usados como parte de la construcción de la superficie de rodado; y
Completar el perfilado o corte final de la superficie de rodado una vez que la compactación haya sido completada.
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Una motoniveladora es usada en caminos en operación para:
Escarificar (ripping-rasgado superficial) del material in-situ suave o de la superficie de rodado – en el caso de la superficie de rodado, un rasgado más profundo es comúnmente parte de la rehabilitación del camino donde la superficie de rodado original es traída hasta la superficie para reparar el camino de nuevo a sus especificaciones (el tráfico y un raspado y/o perfilado regular realizado a menudo da como resultado que con el tiempo se de una acumulación de finos en los primeros 50mm de la parte superior de la superficie de rodado, lo que causa que la superficie de rodado se aparte significativamente de las especificaciones del diseño original); y
El mantenimiento rutinario para nivelar (raspar) la superficie de rodado de un camino y la redistribución de la capa de rodado de forma homogénea a través del camino – para este trabajo, operadores altamente calificados son requeridos, a menudo junto con un sistema de nivelación guía laser –o GPS- para ayudar al operados a mantener su alineación y el gradiente, cima o peralte, la diferencia de elevaciones, etc. los sistemas Caterpillar Accugrade® y Opti-grade® son un ejemplo de estas tecnologías.
Recuerde - si el camino no ha sido mojado, siempre riegue la superficie de rodado ligeramente antes de intentar „nivelar‟ o „raspar‟ el camino. Esto hará que el camino sea más fácil de rebajar, proporcionando un mejor acabado y donde se hagan cortes o rebajes significativos, ayudara a la re-compactación.
Camiones Cisterna con Capacidad de 50-80 klitros y Barra Aspersora
Los camiones cisterna son muy importantes, especialmente durante la compactación de las capas. Debe de aplicar agua sobre el material suelto que ha sido compactado, para llevar el material hasta a lo que es referido como Contenido de Humedad Optimo (CHO). Este es el
contenido de humedad en el material asociada con su máxima densidad, que se verá más adelante, máxima resistencia. No es
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necesario utilizar el camión cisterna para aplicar agua a una base (si es usado) de material de roca estéril fragmentada durante la compactación.
En caminos terminados, una boquilla con barra de rociado es una mejor solución para un regado efectivo que un regado por goteo. Las boquillas dan una cobertura más adecuada, menor saturación del material con agua y mejor eficiencia de los camiones cisterna. También – trate de rociar en „parcelas o áreas‟ de 50m dentro y 50m fuera – esto ayudara a reducir el daño potencial a los caminos por exceso de agua (especialmente en las rampas; esto también previene condiciones excesivamente resbaladizas). Un regado ligero mejora la productividad del camión cisterna y reduce la erosión del camino. Sin embargo, como se discutirá más adelante, el agua es inherentemente mala para un camino de grava y, como medida de supresión de polvos – no es tan efectiva en algunas regiones climáticas. Además, usando una velocidad integrada de regado para mantener aproximadamente 0.5 litros/m2 de camino, ayuda a reducir el exceso de agua regada en las rampas y adoptando un sistema de administración y un sistema de localización en los camiones cisterna es útil para controlar la cobertura de regado, optimizar la utilización del vehículo (tiempo de regado) y como medio para la reducción de la generación de polvos en la red de caminos.
Rastra de disco
Una rastra de discos de 8-10m de ancho debe ser utilizada para escarificar y mezclar los materiales de la capa de rodado. Un tractor de tracción en las cuatro ruedas (mínimamente de 25kW por metro de ancho de arado) se utiliza para remolcar el arado. Donde una mezcla de dos o más materiales es requerida para hacer una adecuada superficie de rodado, mezclar es muy importante y usando la rastra de discos es la manera más rápida de lograr esto.
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Como se discutió previamente, cuando la motoniveladora ha raspado la superficie de rodado como parte del trabajo de rehabilitación o re-gravado, la rastra también puede ser usada para romper la superficie de rodado, antes de remodelar con la motoniveladora y antes de re-compactar.
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Materiales Para la Construcción de Caminos
Un camino puede ser construido casi sobre cualquier material (in-situ) – pero si ese material es particularmente débil (puede deformarse fácilmente cuando una carga es aplicada), o el camión que es especialmente pesado, entonces una capa de material mucho más gruesa será requerida para proteger el material in-situ de la carga aplicada por los neumáticos del camión. Similarmente, si los materiales que usamos para construir el mismo terraplén fueran débiles – una serie de gruesas capas y más resistentes también serán requeridas.
En las especificaciones de un diseño estructural, tres amplios tipos de materiales en general se consideran:
El material in-situ (sub-grado) en el cual el camino es construido, y si es requerido, a menudo el relleno por encima del in-situ;
La sub-base y las capas base (como una sola, combinada con capas de roca estéril quebrada) y;
La capa o superficie de rodado, la cual es colocada en la parte superior de la capa base.
¿Cuáles son las características de las capas y qué puede hacer a un material bueno o malo?
Materiales In-Situ
Estos pueden ser cualquiera de los siguientes:
Suelos;
Cubierta de material erosionado;
Cubierta de roca dura quebrada y suelta; o
Cubierta de roca dura solida.
Cuando se está planeando un nuevo camino, la primera tarea es encontrar que tan duro o suave es el material sobre el que vamos a construir el camino. Un Penetrómetro Dinámico de Cono (DCP) y/o las líneas-centrales topográficas y los sistemas de clasificación de suelos pueden ser usados para establecer las
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características de ingeniería y la resistencia del material in-situ o de sub-grado sobre el cual se construye el camino.
No hay muchas opciones en la minería sobre en dónde vamos a construir el camino. Un camino debe conectar dos puntos, y a menudo la distancia más corta, o la más lógica desde la perspectiva de planeación, es la opción más económica. El modelo de bloques de la mina a menudo indica donde el camino será construido, cuanto espacio ocupara, y cuál será el efecto en los costos de explotación de roca estéril si se planeára un camino en cualquier otro lugar diferente a la ubicación del camino de costo mínimo.
Si la capa in-situ es dura, cubierta de roca solida, entonces generalmente no tendremos problemas. Esta es resistente y no necesita mucha protección de las cargas aplicadas por los neumáticos de los camiones. Seguiremos colocando relleno seleccionado sobre la capa in-situ para obtener el perfil y la alineación correcta del camino – y críticamente, permitir el drenado del agua a través de esta capa y no a través de la superficie de rodado (el relleno de roca quebrada seleccionada forma bloques y como tal su resistencia no es afectada por el agua). De manera similar, para una buena y resistente cubierta de roca quebrada, es a menudo suficiente acomodar y compactar los 300mm de material de la parte superior antes de colocar la superficie de rodado.
Si el material in-situ es una cubierta de material erosionado o de baja compactación, éste será mucho más suave y por lo tanto requerirá mayor protección - o una sub-base más gruesa y una capa base encima de ésta. Ocasionalmente, el material es tan suave que tenemos que removerlo. Esto es porque queremos reducir el espesor de la base, por lo tanto necesitamos una capa in-situ más resistente sobre la cual construir. Si el material in-situ es tierra o arcilla, o no transitable (CBR<2%) entonces éste será removido completamente hasta una profundidad donde un material más resistente sea encontrado. Además, si el material está muy mojado, esta capa también será removida ya que hará la construcción del camino muy costosa.
Cuando un material in-situ razonablemente resistente es expuesto, este puede ser raspado y compactado para proveer un “yunque” o una base firme para la compactación de la capa superior. Sin esta base firme, compactar la capa superior es difícil, toma mucho tiempo y es muy costoso. En ambos casos, el siguiente tipo de material, la base de roca quebrada o relleno remplazará el material removido. Cuánto material usaremos, depende de la resistencia de la capa in-situ.
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Capas Base y Sub-base
Usando una metodología de diseño mecánicamente determinado, donde una cubierta de roca quebrada / material estéril de buena calidad (no-erosionado) esta disponible, puede ser usada como la base y sub-base combinadas. Es importante que el bloque de roca quebrada seleccionada como fuente para esta capa no contenga roca erosionada, arcilla o tierra, ya que para esta capa necesitamos material en
bloque y duro, con apenas un poco de materiales finos (menos del 20%). El tamaño del bloque más grande es idealmente 2/3 del espesor de la capa de diseño, la cual es normalmente entre 200-300mm máximo.
Algo más grande, y estas rocas serán difíciles de compactar y formaran una parte alta en la capa, rodeadas por un anillo de material suave sin compactar. También harán difícil darle forma al camino, cuando grande bloques de roca sobresalgan de la capa. Si dicho material no está disponible, entonces las capas son construidas con una selección de materiales excavados que ofrezcan una gran resistencia en la compactación. La elección de los materiales dependerá de la calidad de los materiales, la comparación de los costos y la disponibilidad local. Con estos tipos de materiales, la estabilización puede ser una opción cuando se utiliza como una capa base.
Superficie de rodado
Esta capa está hecha de un solo, o una mezcla de materiales. En las especificaciones que se introducirán más adelante, son dadas dos áreas de selección recomendadas. Cuando los parámetros de
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la carpeta de rodadura son determinados, el resultado (de un solo, o una mezcla de materiales) deben encontrarse dentro de estas recomendaciones. Si esto no es así, las especificaciones también dan una idea de lo "defectos" que normalmente se producen como consecuencia de ello. Los límites recomendados para la selección de estos materiales son establecidos tanto en términos de rendimiento y degradación minimizada (degradación equivale al aumento de la resistencia al rodado). Para lograr una capa de buena resistencia, el o los materiales para esta capa debe de ser seleccionada cuidadosamente. Roca muy erosionada hará mucho material fino, el cual dará resultados muy pobres y una capa demasiado suave. Recuerde, necesitamos materiales duros, resistentes al desgate y la erosión causada por los enormes camiones que operaran este camino.
Para esta capa, una resistencia mayor que el 80% de CBR (California Bearing Ratio: Ensayo de Relación de Soporte de California) es necesaria. Este valor es determinado mediante pruebas de laboratorio de los materiales o por Pruebas DCP. Si una mezcla de materiales es requerida, la
mezcla utilizada es seleccionada en base a los resultados de los ensayos de los materiales. Si la mezcla no es correcta, puede ser de material muy fino y la capa será muy resbalosa y polvorienta, o muy suelta, cuando produzca piedras sueltas, corrugación y, en ambos casos, un rápido incremento de la resistencia al rodado una vez que el camino es transitado.
3-1
3 DESARROLLANDO UN
SISTEMA DE CLASIFICACIÓN
PARA CAMINOS DE
TRANSPORTE
Clasificación de Caminos de Transporte
En un sistema de transporte basado en camiones, los mismos caminos deben ser considerados como un activo de manera similar a los camiones que operan sobre éstos. Debido a que no todos los caminos que comprenden la red caminos de la mina cumplen con la misma función, y como una base para la toma de decisiones del costo-eficiencia cuando se desarrolla el diseño de un camino, la administración de la estrategia de mejoramiento o mantenimiento, son requeridas algunas bases de comparación – en este caso las especificaciones básicas del diseño del camino de transporte.
Para comenzar, debe desarrollarse un sistema de clasificación de caminos, de acuerdo a:
Volumen de tránsito estimado durante la vida del camino.
Tipo de vehículo (prever el camión más grande, cargado completamente transitando sobre el camino) .
Capítulo
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Permanencia (vida de servicio del camino); y
Nivel de desempeño (o servicio) requerido.
como parte de un marco común de toda la mina o estándar para el diseño y operación de los caminos. El sistema de clasificación puede ser usado como el punto de inicio para especificar apropiadamente las guías de diseño para el personal de construcción, permitiéndoles fácilmente determinar cuales son los requerimiento apropiados de diseño y construcción cuando se construye un camino nuevo, y cuando se evalúa o se rehabilitan los caminos existentes. Claramente, no todos los caminos son „iguales‟ y para un enfoque rentable, necesitamos adaptar nuestro diseño y sistema de administración para aplicar más recursos a segmentos de caminos de alto volumen, de largo plazo y de alto costo-impacto.
Como se mencionó anteriormente, usando la resistencia al rodado (o su sustituto, consumo de combustible) como una medida del costo-impacto requiere que la red de caminos de carga sea dividida en segmentos similares en términos de categoría, volúmenes de tránsito, tipos de materiales, etc. y entonces se hace un pequeño cambio (+1%, +2%) a la resistencia al rodado en cada uno de éstos segmentos y en los resultados simulados usando software OEM o algúno de sus equivalentes comerciales (ejemplo: Talpac®, Runge Mining). Los resultados indicarán cuales partes de la red son de gran impacto económico (en términos de incremento en el consumo de combustible con incremento en la resistencia al rodado) y cual requiere una clasificación mayor que en otros segmentos. Este análisis básico no considera los costos de todos los usuarios de la carretera, tampoco el costo de mantenimiento de los caminos debido a que en este punto estamos interesados en la sensibilidad de costo, no el costo de optimización (este último se refiere al manejo del mantenimiento de los caminos de transporte).
Este concepto es ilustrado arriba, donde se muestra un modelo desarrollado para estimar el aumento en índice de consumo de combustible con respecto al gradiente del camino y la resistencia al rodado (para un modelo de camión específico).
El índice de consumo de combustible representa el incremento en el consumo de combustible desde un caso-base de consumo cuando la resistencia al rodaje es del 2.0% y el grado de inclinación es 0%. Por ejemplo, un GVM RDT de 359t tiene un caso-base de consumo de combustible de alrededor de 40ml/s. Los índices de incremento por carga, velocidad y grado de inclinación se dan en la ilustración. Por lo tanto, el índice de incremento para este camión cargado viajando a 20km/h hasta 8.2% de grado de inclinación es (0,49 x 8.2) = 4.0, y con una resistencia al rodado de 2.1%, el incremento en el consumo de combustible para el caso-base es (4.0 + 1.0) = 5.0 o alrededor de (5 x 40) = 200ml/s.
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Si la resistencia al rodado ahora incrementa a 4.0%, el incremento en el índice es ahora 1.0 y el consumo de combustible sube a (4.0 + 1.9) × 40 = 236ml/s, equivalente a un incremento del 18%. Ahora para el mismo camión en una sección plana de la carretera, consumo de combustible a 2.0% de resistencia al rodaje es aproximadamente (0 + 2.3) = 2.3, o alrededor (2.3 × 40) = 92ml/s. cuando las resistencias al rodaje incrementan a 4%, el incremento en el consumo de combustible es alrededor de 84ml/s.
Por lo tanto, cuando se conoce el volumen del tráfico, estos datos pueden convertirse en una penalización de costo asociada con el incremento a la resistencia al rodado para cada segmento del camino en carga. La ventaja de usar OEM u otro software de simulación similar es que la tasa de producción puede ser analizada y de ser necesario, también convertirla a una oportunidad de costo.
Una clasificación típica de caminos de transporte para una operación de minería a cielo abierto se muestra aquí. En este caso, los normalmente extensos, planos, y muy transitados caminos a los botaderos y chancador de mineral llegan a tener un impacto de alto costo y han sido calificados como caminos "Categoría I". Los menos extensos y de menor tráfico en las rampas del rajo fueron calificados como "Categoría II y III".
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Un ejemplo de un sistema de clasificación para una operación a cielo abierto se muestra a continuación. En este caso, la mayoría de los viajes del estéril y mineral que sale desde el rajo sobre la rampa principal, ya sea hacia el chancador o botadero han sido evaluados como "Categoría I", ya que el impacto de los costos de estos caminos es extremadamente alto, la productividad y el costo podrían cambiar dramáticamente si estos caminos se deterioran rápidamente, debido al incremento de la resistencia a la rodadura y la reducción en la velocidad de los camiones.
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CATEGORY
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>100 376 3 Permanent high volume main hauling
roads ex-pit from ramps to ROM tip or waste dumps. Operating life at least 10- 20 years.
CATEGORY
II
50 - 100 376 2 Semi-permanent medium- to high-
volume ramp roads, or in-pit or waste dump N block roads ex-pit. Operating life 5-10 years.
CATEGORY
III
<50 288 1 Semi-permanent medium to low
volume in-pit bench access or ex-pit waste dump sector roads. Operating life under 2 years.
Notes
# Performance index defined as;
1 Adequate in the short term, but fairly maintenance intensive once design life, planned traffic volume or truck GVM exceeded
2 Good with regular maintenance interventions over design life
3 Outstanding with low maintenance requirements over design life
Como se muestra aquí el sistema típico de clasificación y categorización de caminos será referido otra vez cuando se examine como las guías de diseño son desarrolladas para estas diferentes categorías de caminos. Una vez que las categorías de diseño han sido determinadas, se necesitan establecer los datos clave de rendimiento o desempeño para los tipos de camiones usados para desarrollar las categorías de estos. Los fabricantes de camiones pueden proveer estos datos. En conjunto estos datos forman la base de entrada para los cuatro componentes del diseño que se discutieron previamente.
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CATEGORY
I
>150 391 3 Semi-permanent high volume main
ramps to ROM Operating life at least 6- 12 years.
CATEGORY II
100 - 150 391 3 Semi-permanent medium- to high-volume ramps to waste dumps K1,
K2, K4. Operating life 2-5 years.
CATEGORY III
<100 391 2 Transient medium to low volume bench access or ex-pit waste dump sector roads. Operating life under 1
year.
Notes
# Performance index defined as;
1 Adequate in the short term, but fairly maintenance intensive once design life, planned traffic
volume or truck GVM exceeded
2 Good with regular maintenance interventions over design life
3 Outstanding with low maintenance requirements over design life
Seleccionando y Usando los Datos Apropiados en las Guías de Diseño
Una vez que las categorías de caminos han sido determinadas, se necesitan establecer los datos clave de rendimiento de los camiones que usan los caminos. A continuación hay algunos puntos clave a considerar, y como cada pieza de los datos es integrada dentro de las 4 componentes de diseños discutidas anteriormente.
Capacidad de pendiente de un camión (Gradeability)
Motor, tren de fuerza, opciones de motor transmisión/neumático y correcciones de altitud.
La capacidad de un camión para subir una pendiente determinará la gradiente óptima del camino – pero solo donde esto puede ser acomodado desde la perspectiva de la planeación de la mina. Caminos de transporte largos y planos pueden ser tan lentos (en términos de tiempo total del transporte) como los caminos de transporte cortos e inclinados, y hay un grado de inclinación óptimo (específicamente en términos de resistencia total –grado de inclinación más la resistencia al rodado) que minimiza el tiempo total de transporte. Este grado de inclinación óptimo debe ser adoptado para la base del diseño geométrico
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(rampa) y cuidadosamente debe tomarse nota de los sensibles cambios en la resistencia al rodado. Como se mencionó anteriormente, una buena regla es que un incremento del 1% en la resistencia al rodado en una inclinación de 10% equivale a una perdida en velocidad de alrededor del 10%-13%.
Los datos de la capacidad de inclinación o pendiente también indicaran la velocidad máxima de un camión bajo condiciones de carga y sin carga y donde el frenado no es el factor limitante de la velocidad, alrededor de un 85% de la velocidad tope debe ser usada para fines de diseño. – ¿por qué reducir la velocidad del camión cuando se ha comprado con un motor con potencia suficiente para realmente completar el recorrido en un tiempo más corto? En una red de caminos de transporte los límites de velocidad serán siempre necesarios bajo ciertas circunstancias operativas, así como se discutirá en las siguientes secciones concernientes al diseño geométrico.
Performance Chart Liebherr T282B 4.32kW(net)/tonne GVM
50/80R63 Tyres and 37.33:1 Drive ratio
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Speed (km/h)
Rim
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Propulsion
Retard
Propulsion (trolley)
Full truck
(GVM = 592 tonnes)Empty truck
(EVM = 229 tonnes)
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%)
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Effective grade (UPHILL) % = Grade % + rolling resistance% Effective grade (DOWNHILL)% = Grade % – rolling resistance%
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Retardo o Frenado
Opciones de sistemas de frenado
El rendimiento de frenado de un camión es una consideración clave en el diseño de caminos, especialmente cuando el camión es usado en un grado de configuración de carga-favorable (cuesta abajo). Para más configuraciones convencionales de carga-desfavorable (cuesta arriba), el rendimiento de frenado es solo considerado una vez que el grado óptimo de inclinación o pendiente ha sido especificado y el impacto de esta decisión analizado en la velocidad del camión y la geometría del camino. En este caso, la resistencia total efectiva es el grado de inclinación de la rampa menos la resistencia al rodado.
El camión descenderá una rampa en una marcha/velocidad/engranaje que mantiene las rpm del motor al nivel máximo permitido, sin sobre revolucionar el motor. Si el aceite de enfriamiento se sobrecalienta, la velocidad del camión es reducida seleccionando la siguiente marcha/engranaje hacia abajo.
Si la actual velocidad máxima segura del camión en retardo o en frenado no es excedida, entonces los límites de velocidad sólo
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Effective grade (UPHILL) %
Brake Performance Chart Caterpillar 797B 4.24kW(gross)/tonne GVM
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Speed (km/h)
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(GVM = 623 tonnes)Empty truck
(EVM = 267 tonnes)
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Performance Chart Liebherr T282B 4.32kW(net)/tonne GVM
50/80R63 Tyres and 37.33:1 Drive ratio
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Speed (km/h)
Rim
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Propulsion
Retard
Propulsion (trolley)
Full truck
(GVM = 592 tonnes)Empty truck
(EVM = 229 tonnes)
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4 2 1
Effective grade (UPHILL) % = Grade % + rolling resistance% Effective grade (DOWNHILL)% = Grade % – rolling resistance%
Performance Chart Liebherr T282B 4.32kW(net)/tonne GVM
50/80R63 Tyres and 37.33:1 Drive ratio
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Speed (km/h)
Rim
pu
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kN
)
Propulsion
Retard
Propulsion (trolley)
Full truck
(GVM = 592 tonnes)Empty truck
(EVM = 229 tonnes)
Eff
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ve G
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e (
%)
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16 14 12
10 8
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4 2 1
Effective grade (UPHILL) % = Grade % + rolling resistance% Effective grade (DOWNHILL)% = Grade % – rolling resistance%
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serán necesarios bajo ciertas circunstancias, como se discutirá en las siguientes secciones concernientes al diseño geométrico.
Dimensiones
Varias dimensiones clave son requeridas – sobre todo para confirmar los requisitos de los componentes del diseño geométrico. Estos suelen ser:
Diámetro de espacio del círculo de giro – usado para especificar los radios de giro mínimos de los caminos en zigzag o switchbacks (que son idealmente al menos 150% de este valor mínimo de espacio) y consideraciones de diseño de las intersecciones;
Altura de línea de visión de los conductores – usada cuando se evalúa la distancia de visibilidad de los conductores en curvas verticales (especialmente en curvas cóncavas/verticales) y comparando con las distancias mínimas de frenado; cuando la distancia de frenado excede la distancia de visión, los límites de velocidad son aplicados para reducir la distancia de frenado de regreso dentro de las limitaciones de las distancias de visibilidad.
Longitud total del cuerpo – para camiones RDT cortos, normalmente no necesitan una consideración especial en el diseño de caminos – pero para los BDT, la longitud de la unidad necesita ser considerada dentro del diseño geométrico de curvas y cuando se transita a través de intersecciones;
Anchura total del cuerpo – usado para determinar el ancho de carriles y carpeta de rodado del camino; y
Tamaño del neumático, usado para diseñar la berma (hilera) del peralte hacia afuera.
Desde la perspectiva del diseño estructural, necesitamos considerar como la carga es aplicada al camino – en términos de la distancia entre ejes y el espacio de la línea central de los neumáticos, usando:
Ancho de funcionamiento,
Ancho central de los neumáticos frontales,
Ancho central de los neumáticos dobles traseros, y
Ancho general de los neumáticos.
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Cargas
Desde la perspectiva de diseño estructural, necesitamos considerar que carga es aplicada al camino - en términos de:
Peso bruto de operación de la maquinaría (GVM) – opcionalmente usando la masa del vehículo vacio (EVM) más 1.2 x la carga útil (para acomodar el límite de carga 10:10:20 del camión) – esto datos podrían ser los limitantes del diseño estructural, usados para determinar la carga máxima de las ruedas aplicada sobre el camino, en conjunto con:
La distribución del peso a través de los ejes frontal y trasero (vehículo cargado y sin carga);
Volúmenes diarios de tráfico de camiones – basado en toneladas transportadas y capacidad de los camiones, los datos son usados para determinar la categoría del transporte requerido, y también para modelar el cambio en la resistencia al rodado asociado con la deterioración de la capa de rodado.
4-1
4 DISEÑO GEOMÉTRICO –
ESPECIFICACIONES GENÉRICAS
Diseño Geométrico – Introducción
El diseño geométrico de un camino de mina es dictado en gran parte por el método de explotación usado y por la geometría del área a explotar y del cuerpo mineralizado. Los softwares de planeación minera permiten la consideración de varias opciones geométricas de caminos de transporte y seleccionar el diseño óptimo, ambos desde la perspectivas de diseño de caminos y económico (proveer al menor costo). Si bien estas técnicas a menudo los software tienen valores de diseño predeterminados, es sin embargo necesario revisar los conceptos básicos del diseño geométrico en caso de cualquier modificación que necesite ser considerada durante el diseño de los caminos de mina, ya sea en la base económica o, más crítica, desde el punto de vista de la perspectiva de la seguridad.
El trazado del camino – o alineación, tanto horizontal y vertical es generalmente el punto de partida del diseño geométrico. Cualquier desviación de las especificaciones ideales dará a lugar a reducciones en el rendimiento del camino y del equipo de transporte. Considerable cantidad de datos ya existen relacionados con las buenas prácticas de ingeniería en el diseño geométrico, y también muchas normas locales aplicables, desarrolladas específicamente para el sistema operacional del entorno. Conceptos genéricos son usados como las bases de los criterios de diseño aquí desarrollados. Hablando más ampliamente, la seguridad y una buena ingeniería requieren que el diseño del alineamiento del camino de transporte sea adecuado para todos los tipos de vehículos que usarán el camino, operando dentro de los rangos seguros de desempeño del vehículo (85% de la velocidad máxima de diseño del vehículo como la velocidad superior de diseño), o, en el límite de velocidad aplicado como es dictado por el
Capítulo
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propio diseño. Idealmente, el diseño geométrico debe permitir que los vehículos operen a la máxima velocidad del diseño, siempre y cuando que el mismo camino sea usado por los camiones de transporte con y sin carga, a menudo es necesario minimizar los tiempos de los recorridos con carga por medio de un apropiado alineamiento o trazado geométrico, mientras se acepte el compromiso (generalmente en forma de límites de velocidad) del viaje de regreso sin carga.
El proceso de diseño geométrico comienza con un objetivo simple de conectar dos puntos, y este objetivo es incrementalmente mejorado a medida que las especificaciones geométricas son aplicadas y cumplidas. Los pasos que se muestran a continuación.
Una vez que el proceso de diseño conceptual y final se termina, tiene que ser traducido a las actividades de construcción en el campo. Aquí es donde las habilidades y conocimientos del personal se convierten importantes.
Establish start and end points of
road.Feasible (mine plan) and
economic route (topography)
selection.
Optimise truck performance
against route grades and speeds
and construction costs.
Design horizontal and vertical
alignments. Check sight
distances throughout.
Check additional road geometric
requirements against ALL road-
user vehicles.
Survey and peg the route centre
lines. Test soil properties for
Structural Design phase
Check drainage requirements
with topographic contours in
vicinity of route.
Assess junction and intersection
layouts and associated safety
components.
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Diseño Geométrico –Alineación Vertical
Limites de distancias de frenado de un camión
El fabricante debe confirmar las distancias requeridas para que el camión se detenga, según las normas ISO 3450:1996.
La norma ISO 3450:1996, que especifica los requerimientos del sistemas de frenado y los procedimientos de prueba para maquinaria de movimiento de tierras y máquinas sobre neumáticos son utilizadas a menudo como una norma de diseño por los fabricantes de equipos, a fin de evaluar de manera uniforme la capacidad de frenado de la maquinaria para movimiento de tierras en los sitios de trabajo o vías públicas.
Esta norma ISO da típicamente una distancia de 114m de frenado en una pendiente al 10% a 50 km/h, y 73m a 40 km/h. Si bien con ello se satisfacen la mayoría de los diseños de las rampas de los caminos de las minas donde camiones de volteo-trasero (RDT) son utilizados, se debe tener cuidado cuando se utiliza el enfoque de la ISO para camiones articulados (ADT). Rampas más pronunciadas se utilizan a menudo donde los ADT son empleados, ya que suelen tener mejor capacidad para subir pendientes. En una rampa con una pendiente mayor al 10%, la distancia de frenado sugerida por la ISO no necesariamente se aplicará. En general, e incluyendo los tiempos de reacción del conductor, practicas distancias retardadas de frenado sin asistencia (de emergencia) pueden ser determinadas a partir de la ecuación;
sin2
sinsinfrenado de Distancia
min
22
21
Ug
vgttvgt o
o
Donde;
g = aceleración debido a la gravedad (m/s2)
t = tiempos de reacción del conductor y activación del freno (s)
Θ = pendiente del camino (en grados) siendo positivo cuesta abajo
Umin = coeficiente de fricción camino-neumático, típicamente 0.3
vo = velocidad del vehículo (m/s)
Una primera estimación fiable de la distancia de frenado se basa en las condiciones „ideales‟ de frenado y del vehículo (camino seco, buena resistencia al deslizamiento, etc.) Cuando las condiciones de frenado varían (caminos mojados, pobre y resbaladiza capa de
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rodado, derrames, etc.) una distancia de frenado mayor tendrá que ser considerada.
Al menos 150m son requeridos – basados en los requerimientos típicos de las distancias de frenado. En una curva o giro en el camino esto podría ser difícil de lograr, como se muestra en el diagrama. Cuando las curvas del camino alrededor del borde de un banco, para poder mantener la distancia de visibilidad es utilizada una distancia hacia atrás (Iayback (LB (m)) para mantener el camino lejos de la obstrucción de la vista. Esta distancia LB es encontrada considerando la distancia mínima de frenado del camión (SD (m) y el radio de la curva R (m));
SD
RSDLB
65,28cos1
LB
LB – Lay-back of curve from obstruction
Obstruction
Required stopping distance
Sight
distanceHazard
Required stopping distance
Required stopping distance
Sight distance
Sight distance
Hazard
Hazard
Unsafe – sight distance less
than stopping distance
Sight distance
Required stopping distance
Hazard
Vertical curve
radius
Hazard
Vertical curve
radius enlarged
Sight distance
Required stopping distance
Unsafe – sight
distance less than
stopping distance
Safe – sight
distance more
than stopping
distance
Safe – sight distance more than stopping
distance – layback or enlarged
(horizontal) curve radius used
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La longitud de las curvas verticales (L (m)) puede determinarse a partir de la consideración de la altura del conductor por encima del suelo (h1 (m)), un objeto de altura (h2 (m)) (generalmente 0.15m para representar una figura postrada en la carretera), SD - la distancia mínima de frenado (m) y ΔG la diferencia algebraica en grados (%);
Donde la distancia de frenado es mayor que el largo de una curva vetical, entonces;
G
hhSDL
2
212002
Donde la distancia de frenado es menor que el largo de la curva;
2
21
2
100
.
hh
SDGL
En cualquier instancia donde la distancia de visibilidad es reducida por debajo de la distancia de frenado – esto es PELIGROSO y los límites de velocidad deben de ser aplicados o aumentar la distancia de visibilidad.
Distancia visible
Además de los requisitos de distancia de visibilidad y el efecto de la geometría de los caminos en estos límites, también hay que recordar que en un camión de mina de grandes dimensiones, el operador no tiene una visión completa de 360º alrededor del vehículo. Estos se conocen como puntos ciegos y pueden variar de una máquina a otra. Cuando se evalúan la distancia visual y crítica, las distancias de visibilidad en intersección, es importante tener en
Required stopping distance
Required stopping distance
Sight distance
Sight distance
Hazard
Hazard
Unsafe – sight distance less
than stopping distance
Sight distance
Required stopping distance
Hazard
Vertical curve
radius
Hazard
Vertical curve
radius enlarged
Sight distance
Required stopping distance
Unsafe – sight
distance less than
stopping distance
Safe – sight
distance more
than stopping
distance
Safe – sight distance more than stopping
distance – layback or enlarged
(horizontal) curve radius used
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cuenta si o no la combinación de posicionamiento del camión en la carretera y la geometría de la vía en sí, facilitarán la distancia de visibilidad necesaria.
A continuación se ilustra un típico diagrama de puntos ciegos de un camión de transporte grande, del diagrama del área ciega (para seleccionados vehículos mineros), contrato 200-2005-M-12695 por John Steele (Colorado School of Mines). Las medidas se aproximan a la norma ISO 5006, Maquinaria Movimiento de Tierras - campo visual del operador.
Grados máximos y óptimos de inclinación sostenidos
Mientras que los gradientes máximos pueden verse limitados por las regulaciones locales, idealmente la gradiente debe ser suave, de pendiente constante, no una combinación de diferentes grados de inclinación. Camiones cargados cuesta arriba, trabajan mejor usando un valor total de inclinación (por ejemplo gradiente y resistencia al rodado) de alrededor de un 8 y 11%. Sin embargo, cada camión tiene una combinación de sistema de motor y tracción característico “grado de curva óptimo” y es un buen punto de partida para el diseño geométrico y para determinar el gradiente óptimo para el camión seleccionado a usar en la mina.
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Cabe señalar que los tiempos de viaje (con carga) son sensibles a los diferentes grados de inclinación contra la carga, se debe tener cuidado al seleccionar la gradiente a usar, desde la perspectiva de las limitaciones del sistema de retardo del camión en el recorrido de transporte sin carga cuesta abajo. Este aspecto se vuelve crítico en el caso del viaje de transporte con carga cuesta abajo donde la capacidad de retardo sería la limitación de los criterios de diseño.
El grado óptimo para un camión en particular, donde el motor y el sistema de transmisión se encuentran entre los dos extremos;
Una rampa larga y con poca inclinación – (el camión será más rápido porque la inclinación es poca, pero la rampa es larga – por lo tanto los tiempos de viaje son largos)
Una rampa corta y empinada – (el camión será lento porque el grado de inclinación es bastante empinado – por lo tanto los tiempos de viaje son largos)
En este ejemplo, fue usada una simulación para determinar el grado óptimo de una curva para un camión CAT 789 con una resistencia al rodado (RR) del 2-5% adicional al grado de resistencia. El tiempo de viaje del camión es mínimo usando una gradiente de 11% (@2%RR) – pero si se usan gradientes mayores, el camión „trabaja‟ más forzado y será más caro de operar y los costos del ciclo-vida pueden ser afectados
negativamente. También debe tomarse en cuenta las suposiciones que se usaron en los trabajos de simulación – especialmente en las longitudes de las rampas, curvas (si existen) y la velocidad del camión al entrar a la rampa. A medida de que el RR incrementa, la gradiente óptima disminuirá la misma cantidad.
A otros grados de inclinación diferente al grado óptimo, también vale la pena investigar el cambio de velocidad asociado con los cambios de gradiente. Como se muestra en la figura, dependiendo de las especificaciones del tipo de camión y del sistema de trasmisión
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0 2 4 6 8 10 12 14 16
Tra
ve
l ti
me
(m
ins
)
Grade (%)
Optimum gradient simulation CAT 793C with 20km/h run-in,
rimpull limited.100m vertical distance
Travel time RR=2%
Travel time RR=3%
Travel time RR=4%
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adoptada, no siempre es una ligera y suave perdida exponencial de velocidad con el incremento de gradiente (o incrementando la resistencia al rodado a un cierto grado fijo).
Diseño Geométrico – Alineación Horizontal (longitudinal)
Ancho de camino
El ancho de pavimento (camino) debe ser suficiente para el número de carriles requerido.
Los acotamientos de seguridad asociados a la calzada deben de ser incorporados en el ancho de la calzada y las características del drenaje deben de ser incluidas en el ancho de la formación. Los vehículos más anchos propuestos determinarán el ancho del camino.
El diagrama muestra un ancho de carril de 13m y un ancho total de camino de 23m para un camión RDT de 6.5m de ancho. Por lo menos se debe de usar un ancho de camino 3.5 veces el (3.5 W) ancho del camión para recorridos bidireccionales. Este ancho excluye los hombros, bermas y drenajes. Debe tenerse en cuenta que esta metodología aceptada de diseño (3.5 W) requiere "compartir" el espacio entre los carriles, el cual requerirá de buenas habilidades de manejo – especialmente con camiones de transporte grandes (poder determinar el espacio de los lados). Cuando los volúmenes de tráfico son altos o la visibilidad limitada, un ancho de camino seguro será de 4 veces el ancho (4W).
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Inc
rem
en
tal lo
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of
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wit
h e
ac
h 1
% i
nc
rea
se
in g
rad
e(a
ga
ins
t lo
ad
) (k
m/h
)
Mechanical Drive
Electric Drive
180t capacity, 317t GVM rear dump truck (mechanical drive) with 1416kW (1336kW @flywheel) engine power, equivalent to 4,2kW/t GVM
194t capacity, 324t GVM rear dump truck (electric drive) with 1492kW (1389kW @flywheel) engine power, equivalent to 4,27kW/t GVM
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Number of Lanes
Factor x Width of Largest
Truck on Road
(Imágenes de los camiones cortesía de Caterpillar Inc.)
1 2
2 3.5
3 5
4 6
Notes
Para curvas en zigzag (switchbacks) o muy cerradas o para carreteras con alto
volumen de tráfico o con visibilidad limitada, un ancho de camino seguro debe ser
diseñado con un factor adicional de 0.5 x la anchura del vehículo.
Un camino de cuatro carriles es recomendado donde se utilice sistemas de
trolley-asistido.
No son consideradas calzadas adicionales aquí (para la separación de vehículos
ligeros y pesados).
Curvatura y caminos zigzag (switchbacks)
Cualquier curva o camino en zigzag (switchbacks) debe ser diseñado con el radio máximo que sea posible (generalmente >200m idealmente) y este radio debe ser mantenido suave y
consistente. Se deben de evitar los cambios en el radio de las curvas (curvas compuestas). Un radio de curva más grande permite una velocidad más segura en el camino e incrementa la estabilidad del camión. Curvas cerradas o caminos en zigzag (switchbacks) incrementarán los
2 Lanes 26m (with individual clearance
allocation)
Width 6,5m
1 Lane 13m
2 Lanes 23m (with shared clearance
allocation)
Excluding shoulders, drains and berms
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tiempos de los ciclos de los camiones y los costos de transporte como resultado del desgaste de los neumáticos duales traseros debido al deslizamiento del neumático y la fricción y/o por separaciones mecánicas en el neumático delantero del lado externo de la curva.
Los neumáticos duales en los ejes de trasmisión son especialmente propensos al desgaste cuando se circula en curvas cerradas. En un camino en zigzag (switchbacks) es común que se forme una depresión interna excavada debido al deslizamiento de los neumáticos y si la depresión expone la base de la carretera estas rocas dañarán el neumático, como se muestra aquí. Sin embargo, algunos modelos de camiones ofrecen “un diferencial”, el cual permite diferente velocidad en la rotación de los neumáticos dobles, este reduce el impacto de las curvas cerradas sobre los neumáticos. Estas mejoras incrementan la vida de servicio del diferencial y de los componentes duales donde hay numerosos radios de curva cerrados y caminos en zigzag (switchbacks).
El radio mínimo de una curva (R (m)) puede ser determinado inicialmente por;
e
eUvR o
127
min2
Donde;
e = super-elevacion aplicada (m/m ancho del camino)
Umin = coeficiente de fricción neumático-camino
vo = velocidad del vehiculo (km/h)vehicle speed (km/h)
Umin, es el coeficiente de fricción entre el camino y el neumático, es tomado como 0.3 (para superficie húmeda, suave, lodosa o con baches) a 0.35 (superficie de grava seca compactada parcialmente). Donde el diseño de la mina requiere un radio de curvatura más estrecho que el radio mínimo, será necesario aplicar límites de velocidad.
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Peralte de la curva (terraplén)
El peralte de la curva se refiere a la cantidad de material acumulado
en la parte exterior de la curva
para permitir que el camión
pase a través de la curva a velocidad constante. Idealmente, la fuerza centrífuga externa que el camión experimenta debe ser balanceada por la fricción lateral entre el camino y los neumáticos. El peralte no debe superar el 5% -7% de inclinación, a menos que sean utilizados a una velocidad mantenida alta y la posibilidad de deslizamiento sea minimizada.
Curve Radius
(m)
Speed (km/h) and super-elevation (m/m width of road)
15 20 25 30 35 40 45 50 55
50 0.035 0.060 0.090
75 0.025 0.045 0.070 0.090
100 0.020 0.035 0.050 0.075 0.090
150 0.020 0.025 0.035 0.050 0.065 0.085
200 0.020 0.020 0.025 0.035 0.050 0.065 0.080
300 0.020 0.020 0.020 0.025 0.035 0.045 0.055 0.065 0.080
400 0.020 0.020 0.020 0.020 0.025 0.035 0.040 0.050 0.060
500 0.020 0.020 0.020 0.020 0.020 0.025 0.030 0.040 0.050
La tabla muestra los rangos típicos de peralte basados en la velocidad del vehículo y el radio de curvatura en Umin.= 0.0. Los valores de elevación en los bloques sombreados sólo deben ser aplicados como una combinación de peralte con una berma (media)
divisora del camino para separar los carriles lentos y rápidos del camino (cada uno con su propia velocidad relacionada con el peralte), debido a la posible inestabilidad de los vehículos de baja velocidad, negociando curvas con gran grado de peralte (sobre todo
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cuando la carretera está mojada). Cuando se requieren curvas más cerradas o la velocidad de los camiones es mayor al acercarse a la curva, se deberá aplicar un límite de velocidad.
Run-out o Transición de Salida (desarrollo del peralte)
Esto se refiere a una sección del camino de transporte utilizado para el cambio de una pendiente transversal normal o arqueamiento a una sección de peralte. El cambio debe de ser introducido gradualmente para prever una torsión excesiva o crear demasiado estrés en el chasis del camión. El largo de la transición de salida o run-out es dividido típicamente en 25-33% a la curva y un 66-75% a la tangente o al incremento substancial de la curva.
El largo de la transición de salida varía con la velocidad del vehículo y el cambio total de la pendiente transversal y puede ser estimado usando la ecuación abajo donde CSx es el cambio máximo de la pendiente transversal por 30m de largo de camino y v0 la velocidad del camión (km/h)
)(log67.565.15 10 ovCSx
La transición de salida (run-out) en un diseño de camino de mina será mejor incorporado por experiencia que por cálculo. Tenga en cuenta que cuando la transición de entrada o salida está a 0% (ejemplo el camino es “plano”) – idealmente ahí debe de haber un ligero grado de inclinación – para prevenir acumulación de agua en este punto. Generalmente, utilizar 0.02m/m/10m de la longitud del camino es una buena regla para la máxima taza de transición de salida que debe de ser usada.
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Pendiente-transversal, Cresta o Corona
Una pendiente transversal, o cresta es crítica para el diseño y operación exitosa de un camino de mina. La aplicación de una pendiente transversal o cresta asegura que el agua no se acumule y penetre
en la superficie del camino. El agua estancada sobre el camino es extremadamente dañina así que deben de hacerse todos los esfuerzos para extraer el agua lo más pronto posible – pero sin inducir una erosión excesiva a causa de la alta velocidad del agua al salir del camino.
Crestas o coronas y pendientes transversales diseñadas pobremente como se muestran aquí – toda el agua se colecta y acumula en medio del camino - no en las orillas. Existen dos opciones – cualquiera de la siguientes dos, una pendiente transversal de una de las orillas del camino hacia la otra orilla, o una cresta, desde el centro del camino hacia ambos lados del camino. Cualquiera que sea la opción adoptada, en el punto donde la orilla del camino y la cresta o pendiente transversal de las pendientes hacia abajo se unen, una cuenca de captación o una zanja para drenar el agua debe ser proporcionada. Esto es crítico para asegurar que el dren forme parte de la formación del camino y que esté perfectamente compactado, para así prevenir filtración de agua, desde una simple filtración o una gran penetración a través del drenaje en las capas que forman el camino.
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Una combadura (corona) constante o una pendiente transversal de 2 a 3% es ideal, provee un adecuado drenaje sin crear condiciones adversas para los neumáticos de los camiones y sin crear cargas puntales (strut loading). Una preferencia que puede existir para una pendiente transversal debido a la distribución de la carga compartida prevista e igualada, es que reduce el desgaste de los neumáticos. Una pendiente transversal debe ser usada con precaución, por ejemplo cuando la pendiente cae hacia la parte exterior del banco (cresta o parte exterior del talud) al lado opuesto del pie del banco. Cuando una cresta o corona es seleccionada – y cuando esto lleva a la posibilidad de deslizamiento de los camiones en dirección de la cresta del banco o la parte exterior del talud, o hacia una caída vertical grande – grandes bermas de deflexión deben ser instaladas en el borde del camino.
Deben darse consideraciones especiales para determinar cuándo usar la proporción máxima y mínima de pendiente transversal, corona o cresta. Pendientes transversales menores son aplicables a superficies de caminos relativamente suaves y compactas que pueden rápidamente disipar el agua de la superficie sin que haya penetración de agua en la superficie del camino. En situaciones donde la superficie es relativamente desigual, es aconsejable usar una pendiente transversal mayor. En caminos de grava o roca triturada bien construidos, con una pendiente longitudinal mayor al 3%, es preferible utilizar el criterio del 2%. Pendientes excesivas provocan la erosión de la capa de rodamiento – la que tiende a ser más prominente en los bordes exteriores del camino (esto debido a una velocidad de salida del agua (run-off) mayor) – y a menudo coincide con la parte exterior del neumático del camión. Se debe tener cuidado con las grandes proporciones de la pendiente transversal o corona en conjunto con empinados grados de inclinación longitudinal, esta combinación puede causar que los
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vehículos resbalen – especialmente con un vehículo de baja velocidad o lento movimiento.
Alineamiento Combinado
Aquí hay algunos consejos para cuando esté trazando un camino con todos los factores discutido anteriormente – para prevenir algunos de los problemas más comunes en diseño geométrico.
Evite curvas horizontales muy cerradas en o muy cerca de la parte superior de la sección inclinada de un camino. Si es que una curva horizontal es necesaria, comiéncela mucho antes de la curva vertical.
Evite caminos en zigzag (switchbacks) cuando sea posible – pero si el plan de perfiles obliga su uso, hago los radios los más grande posible y evite ponerlo en una pendiente.
Evite curvas cerradas horizontales que requieren una reducción de velocidad (adicional) después de una larga y sostenida pendiente donde los camiones de transporte están normalmente a su máxima velocidad.
Evite curvas con tangentes cortas y variaciones de inclinación, especialmente en caminos multi-carril. Los grados de inclinación deben ser suaves y de porcentajes de grado consistentes.
Evite intersecciones cerca de las crestas de las curvas verticales o curvas horizontales cerradas. Las intersecciones deben ser lo más planas posibles con distancias de visibilidad que deben de ser consideradas en todos los cuatro cuadrantes. Donde una intersección se encuentra en la cima de una rampa, considere de 100-200m de camino nivelado antes de la intersección y evite detener y arrancar un camión de transporte cargado en una inclinación.
Evite intersecciones con un pobre drenaje. El diseño de drenaje en intersecciones debe detener cualquier encharcamiento de agua contra la intersección en curvas súper elevadas.
Evite secciones del camino sin cresta o sin pendiente transversal. A menudo encontrada en el peralte de entrada o salida de una curva, estas secciones planas preferentemente deben ser de 1-2% de grado vertical para asistir al desagüe.
Evite cruces escalonados u otros tipos de intersecciones múltiples. Debe darse preferencia a las intersecciones de 3-vías sobre las de 4-vías. Realinie los caminos para proveer trazados de intersecciones convencionales en cualquier cruce, siempre proporcione divisores o islas medianas para
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prevenir que los vehículos corten a través de las esquinas en las uniones.
Evite señalamientos, vegetación, materiales para caminos o islas divisoras excesivamente altas que por otra parte eventualmente limitará la distancia de visibilidad en cualquiera de los cuatro cuadrantes requeridos.
Evite tener la parte interior (e inferior) del peralte de un camino de acceso del banco-a-rampa con un gradiente de inclinación más pronunciada que la rampa del camino en sí, reduciendo el grado de inclinación de la línea central de la curva. El grado de inclinación interior de la curva no debe de exceder el de la rampa. Usando una espiral de transición, y donde la mina permita espacio, establezca la inclinación interior de la curva mas plana que el grado de inclinación de la rampa en un 2-3% para compensar el incremento en la resistencia al rodado de la curva.
Bermas de Seguridad
Una „cresta‟ o una berma al borde del camino no detendrán efectivamente los camiones (especialmente camiones cargados o no cargados a alta velocidad) en caso de salirse del camino. En el mejor de los casos, proporcionarán una deflexión limitada y alertará al conductor que debe de corregir la ruta del camión. El material que compone la berma y su ángulo natural de reposo influyen significativamente como se desempeñará la berma. El talud de los lados de la berma de seguridad preferiblemente debe de ser lo más empinado que sea posible – 1.5H:1V – esto para asegurar
una mejor redirección del camión y una menor tendencia a trepar y volcar. Pero al hacer esto, asegure la estabilidad y mantenimiento de la altura por que debido a que una berma plana o muy baja también causará que el camión vuelque. Para camiones de transporte grandes, la altura de la berma debe de ser por lo menos 66% del diámetro de las ruedas del camión.
El GVM de un camión y su ángulo de entrada o ataque tienen un significativo efecto de deformación sobre la berma, que es
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típicamente construida de material no consolidado. La habilidad de la berma de re-direccionar se reduce a medida de que el ángulo de ataque aumenta. Además, el gran tamaño de los neumáticos y el mecanismo de dirección no-centrado reducen la tendencia del camión a auto direccionarse por sí mismo al entrar en contacto con la berma. Con camiones articulados con tracción 4x4 ó 6x6, se recomienda que las dimensiones de las bermas excedan el 66% del diámetro de las ruedas, esto debido a las habilidades del camión a subir pequeñas bermas. Otros factores tales como las características de inercia, el radio de masa suspendida y las características de la suspensión indican los diferentes patrones de respuesta para vehículos de transporte cuando encuentran bermas.
Cuando una berma central es utilizada para separar dos carriles de tráfico, o en la cercanía de los cruces, los mismos principios de diseño deben de ser aplicados. También se deben de dar consideraciones tanto a la función de la berma central y las implicaciones de usarla. Además de los costos de construcción y la formación del ancho adicional que es requerido (lo cual puede impactar la relación de extracción), como para acomodar el mantenimiento con la motoniveladora, vehículos descompuestos, etc. y el impacto en el drenaje, todas estas consideraciones adicionales deben de tomarse en cuenta.
Zanjas y Drenaje
Un sistema de drenaje bien diseñado es crítico para el desempeño óptimo de un camino de transporte. Agua sobre el camino o entre las capas del camino causara condiciones de deterioro rápidamente. Como parte del proceso de diseño geométrico del camino de transporte, contornos
en la proximidad del camino propuesto deben ser examinados antes de comenzar la construcción para identificar potenciales áreas de encharcamientos e identificar la localización de alcantarillas, etc.
Los drenajes a los bordes del camino deben de ser diseñados para guiar el agua afuera del camino sin causar erosión. No corte los drenajes dentro de las capas base - asegúrese de que los drenajes
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están alineados con material compactado, para prevenir de tal manera que el agua no se filtre dentro de las capas inferiores.
Un mal drenaje causará el colapso del camino que está cerca de la pared del banco como muestra la figura – ésta era un área o zona baja donde el agua no podía irse a ningún lado – excepto filtrarse entre las capas que conforman el camino. Idealmente, hubiera sido preferible instalar aquí una alcantarilla, o una combinación para conducir el agua a través del camino usando una curva de hundimiento y una pendiente transversal hacia afuera del talud en este punto
También tenga cuidado de no dejar hileras o líneas de material de la capa de rodamiento (después de nivelar el camino con la motoniveladora) a lo largo de los bordes del camino – estas también prevendrán el agua que se drene de la superficie del camino. Asegúrese que después de raspar el camino, hileras de material (y de ser apropiado también, las bermas de seguridad) sean cortadas a intervalos regulares para ayudar al drenaje.
Para los desagües o drenajes es recomendable utilizar zanjas en V para casi todas las aplicaciones, debido a la relativa facilidad de diseño, construcción, y mantenimiento. La zanja que cruza la pendiente transversal o un hombro adyacente al camino de transporte debe de ser 4H:1V, o más plano, con excepción en condiciones restrictivas extremas. En ningún caso debe de excederse una pendiente 2H:1V. La zanja exterior de la pendiente variará de acuerdo al material encontrado. Sobre roca puede ser que al acercarse sea una pendiente vertical; en material menos consolidado, una pendiente 2H:1V o mas plana.
En una sección de corte y relleno, use una pendiente transversal hacia el lado del corte y la corrida del drenaje en una sola zanja. En una sección de solamente corte o solamente de relleno; lleve drenaje en ambos lados del camino con corona o combas desde la línea central del camino. El revestimiento de zanjas es una función del grado del camino y de las características in-situ del material:
A una gradiente de 0% a 4%, la zanja puede ser construida sin el beneficio de un revestimiento excepto en casos de materiales extremadamente erosionables tales como arena, o pizarras que son fácilmente degradables.
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A gradientes mayores al 5%, el revestimiento debe de consistir de roca quebrada gruesa, colocada uniformemente sobre ambos lados y a una altura no menor que 0.3m por encima de la profundidad máxima.
Las zanjas deben de ser diseñadas para manejar adecuadamente los esperados flujos de escurrimientos bajo varias condiciones de pendiente. La consideración primaria es la cantidad de agua que será interceptada por la zanja durante una tormenta. Típicamente, una tabla de tormentas ocurridas a intervalos de 10 años, 24-horas debe de gobernar el diseño. Secciones de alcantarillas son usadas para conducir los escurrimientos de agua de las zanjas de drenaje debajo del camino de transporte. Si se utilizan tuberías enterradas, utilice una pendiente de 3-4% de caída y utilice tuberías de concreto de paredes lisas en conjunto con una alcantarilla con drop-box de tamaño adecuado para permitir su limpieza con una retroexcavadora. En todas las entradas de las alcantarillas, se debe de proveer un encajonamiento o “muro de cabeza (headwall)” consistente de un material estable y no-erosionable.
Unidades típicas de alcantarillado son tanto unidades de alcantarillas de portal y rectangulares de concreto prefabricado o unidades de alcantarillas de tuberías de concreto prefabricado. La profundidad de la cubierta sobre la tubería de la alcantarilla es determinada por el tipo de alcantarillado en relación con los camiones de transporte que utilizarán el camino. Una cubierta mínima de 1000mm sobre la tubería es requerida en la mayoría de los casos. Todas las alcantarillas prefabricadas deben ser construidas bajo condiciones de
zanjas una vez que el camino ha sido construido. Alcantarillas de tuberías de concreto de material granular y fino, 75mm de espesor, después de que la base de la excavación se le ha dado forma para conformar la parte inferior de la tubería. Donde, material duro como roca u otros materiales, son encontrados en el fondo de las excavaciones, las alcantarillas deben de ser instaladas sobre una cama uniforme de arena o grava. Una vez instaladas, las zanjas de las alcantarillas deben de ser rellenadas y compactadas.
5-1
5 DISEÑO ESTRUCTURAL –
ESPECIFICACIONES GENERICAS
Introducción al Diseño Estructural de Caminos de Transporte
El diseño estructural de los caminos de trasporte se preocupa de la habilidad con que el camino soporte las cargas impuestas sin la necesidad de un excesivo mantenimiento o rehabilitación. Los caminos de transporte se deterioran con el tiempo debido al efecto de interacción entre las cargas ejercidas por el tráfico y específicas capas subrasantes y la resistencia del material in-situ y su espesor estructural.
El método de diseño estructural CBR ha sido aplicado ampliamente en el diseño de caminos de transporte en la minería, donde materiales no tratados son utilizados. Sin embargo, cuando son considerados caminos compuestos de capas múltiples en conjunto con una capa de roca estéril quebrada y seleccionada, a menudo es más apropiado utilizar un enfoque mecanístico.
Cuando una capa seleccionada de roca estéril (quebrada) es localizada inmediatamente debajo de la capa de rodamiento, el rendimiento del camino es mejorado significativamente, primordialmente debido a la capacidad de carga del estrato de roca quebrada, el cual reduce la susceptibilidad del material suave de la capa subrasante y del material in-situ a ser afectados por las altas cargas axiales. Esta también tiene la ventaja adicional de reducir los costos de construcción (debido a la virtud de reducir los requerimientos volumétricos y de compactación), comparado con el enfoque de diseño CBR.
En cualquier diseño estructural son críticos los siguientes puntos:
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la compactación de la capa in-situ y la compactación y espesor de las capas de revestimiento o roca estéril quebrada (seleccionada) como capa base; y
el espesor seleccionado de la capa (o „cubierta‟). Si la capa no es lo suficientemente gruesa (muy poca „cubierta‟) o no bien compactada durante la construcción, entonces se compactará cuando los camiones transiten sobre el camino, lo cual dará como resultado un camino en muy pobres condiciones con largas depresiones/surcos sobre el camino.
Cuando estos requerimientos de diseño son pasados por alto, se tendrá como resultado un camino con un desempeño muy pobre. En la figura, el diseño estructural es pobre debido al colapso de las capas inferiores del camino
como consecuencia de la débil capa de material in-situ (material muy erosionado y deteriorado). Aquí, cualquiera de los diseños estructurales (cubierta sobre la deteriorada capa in-situ) y/o la compactación del material in-situ y de las capas de revestimiento que conforman el camino fueron deficientes. Se ven surcos y grandes depresiones de 0.4m de profundidad.
Especificaciones de Construcción Genéricas
La figura muestra una capa base conformada por roca estéril quebrada, colocada al espesor de diseño por encima del material in-situ (rojo). Si el material que conforma la capa base no tiene el espesor de las especificaciones, o
no es colocada y compactada correctamente, el camino no se
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desempeñara bien. En la figura, se puede ver el tipo de roca, dura, y en bloques que debe ser utilizada, y su tamaño ideal – el tamaño máximo de los bloque es de 2/3 del espesor de la capa.
La compactación es uno de los procesos críticos en la construcción de caminos de mina. Es necesario conseguir materiales de alta calidad y uniformidad para poder ser utilizados en las capas del camino, lo que a su vez garantiza un buen rendimiento y de larga duración. La clave es lograr esto uniformemente.
Las especificaciones de construcción establecen que la capa (colocada en capas no excediendo los 200mm de espesor para una compactadora de rodillo vibratorio y 500mm para compactadora de impacto) debe de ser
compactada „hasta que el movimiento visto debajo del rodillo sea insignificante‟- esto significa que cuando el rodillo es conducido sobre la capa, no debe verse ninguna „huella debajo del rodillo‟ – ya cuando todo está muy bien compactado (o alternativamente, sistemas de „compactación inteligente‟ pueden ser utilizados para identificar cuando se ha completado la compactación de la capa, por ejemplo el sistema Caterpillar Compaction Meter Value (CMV) o el método Evibe de Bomag). Hablando en general, para un rodillo de impacto, debe de ser suficiente dar 10-15 pasadas por capa. En esta fotografía, todavía se puede observar las „huellas‟ del compactador de rodillo – por lo tanto la compactación de esta capa no ha sido completada.
Si se utiliza roca estéril quebrada con explosivo para las capas combinadas de la base y sub-base combinadas, cuando sea posible,
diseñe específicamente una tronadura para las capas que conformaran el
camino. Incremente el factor de carga explosiva reduzca el borde y el espaciamiento para obtener un tamaño de máxima fragmentación
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de alrededor 200-300mm (no trate de cubrir o sepultar fragmentos de gran tamaño en el camino – estos darán como resultado una muy mala compactación en esa área). Excave y vacié el material ya sea directamente sobre el camino, o acumúlelo en un stockpile para usarlo después.
Metodologías del Diseño Estructural
Método de Diseño California Bearing Ratio (CBR – Valor
Relativo de Soporte) Método de Diseño “Cover-Curve”
El método de diseño California Bearing Ratio (CBR) desarrollado por Kaufmann and Ault (USBM; 1977) ha sido utilizado ampliamente para diseñar caminos de transporte de mina en el cual materiales no procesados son utilizados y está basado en la prueba de penetración CBR. El CBR de un material es la resistencia a la penetración de ese material expresada en porcentaje comparado con el valor estándar de roca triturada.
Este valor es normalmente derivado de la pruebas de laboratorio, aunque las pruebas de golpe y penetración en el campo también dan valores CBR indirectos. En todos los ambiente, menos en ambiente áridos y semiáridos, el valor CBR adoptado en el diseño debe de estar basado en una prueba CBR saturada. En este procedimiento de diseño, el espesor de la cubierta de pavimento encima de un material con un CBR en particular se determina en función de la carga aplicada por las ruedas y el CBR del material. La misma técnica puede ser utilizada para las sucesivas capas – siendo el único requerimiento que las sucesivas capas deben de ser de un CBR más alto que las capas previas.
A pesar de que el enfoque de CBR “cover-curve” ha sido generalmente remplazado por un enfoque mecanístico que se
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describirá más adelante, hay algunos casos de diseño donde todavía sería apropiado. Sin embargo, el método no toma en cuenta la vida útil del pavimento – o la cantidad de tráfico de camiones que el camino espera soportar – por lo tanto un camino temporal es diseñado con los mismos parámetros de tiempo de vida que un camino de mina. A pesar que una deficiencia potencial, un aumento de diez veces en los volúmenes de tráfico puede solamente requerir un 10%-20% de incremento en el espesor del pavimento, en comparación con las técnicas de diseño de aeródromos usados por la USACE.
La tabla en la siguiente pagina muestra una versión actualizada de las tablas de diseños USBM CBR, apropiadas para las cargas generadas por las ruedas, típicamente, por camiones de volteo de seis ruedas, junto con las aproximadas capacidades portantes de varios tipos de suelos definido por los sistemas de la Unified Soil Classification (USCS) y la American Association of State Highway and Transportation Officials‟ (AASHTO). El espesor total del pavimento es utilizado en esta tabla en lugar del espesor original de la sub-base. La siguiente ecuación puede ser utilizada alternativamente para estimar el espesor de capa (ZCBR (m)) requerido para un material de Radio Portante California (CBR%);
Donde tw es la carga de la rueda (en toneladas métricas), P es la presión del neumático (kPa) y CBR es el radio del Valor Relativo de Soporte del material (%).
Originalmente, la carga de la rueda fue incrementada en un 20% para replicar los efectos de los esfuerzos incrementados generados por eje doble-rueda que ocurre más profundamente en una capa del camino – el concepto de la Carga Equivalente de una Rueda (Equivalent Single Wheel Load – ESWL). La siguiente ecuación puede ser usada más fiablemente para estimar la cubierta ZESWL (m) como;
NOTA cuando se apliquen las fórmulas anteriores para la determinación de un diseño, debido a las características de
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w
Px100.415
P
CBR50.0287tw
P
CBR2x100.331e0.104
P
9.81tCBRZ
1
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ESWLt
17.76CBR0.086CBR0.184Z
CBRZ
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estimación de las fórmulas, un espesor final de la capa más realista se determina por la substracción de la suma de las capas precedentes de los requerimientos totales de recubrimiento.
65 55 40 25 150.0
500.0
1000.0
1500.0
2000.0
2500.0
3000.0
3500.0
4000.0
4500.0
1 10 100
Cover Thickness (mm)
California Bearing Ratio CBR (%)
. 1 2 3 4 6 8 . 10 , 20 40 60 80 100
10 14 21 28 35 41 55 69 104 138 207 276 345 414
. .
Subgrade soil category
Unified Soil Classification
CBR (%)
Modulus (Eeff)(MPa) .
AASHTO Soil Classification
A-1-b A-1-a
A-2-7 A-2-6 A-2-5 A-2-4
A-3
A-5
A-4
A-6
CH
MH
CL
SW
SP
SW-SC
SM
GW
GP
GW-GC
GP-GM
GC
ML
SW-SM
SP-SC
SP-SM
SC
GW-GC
GP-GC
GM
ExcellentPoor Medium Good
A-7-6 A-7-5
Truck Truck wheel GVM (t) load (t)90 15
150 25
240 40
320 55
390 65450 75510 85570 95630 105
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Utilizando esta técnica, considere la „cubierta‟ requerida para un camión de transporte de 320t GVM con una carga de 55t por rueda. Usando una aproximación ESWL de 1.2Xcarga de rueda, si el CBR del subrasante es 5%, el espesor requerido de pavimento es 1400mm. Si una sub-base de CBR=15% fue colocada por encima de ésta, la cubierta de pavimento ahora es 500m por lo tanto (1400-500) = 900mm de espesor de capa es requerido.
Colocando una base de CBR=35% resulta en una capa de 375mm de espesor, siguiendo una capa de rodado de 125mm y CRB80%. Idealmente, un material aun más duro es requerido, pero una capa de rodado de CBR80% es adecuada y seria para fines de diseño especificada a una profundidad de 200mm de la superficie.
Utilizando las ecuaciones presentadas previamente para un ZESWL da una cubierta de 1790mm, y un espesor de capa de 840mm, 410mm y 150mm para cada capa respectivamente.
Cuando caminos compuestos de multi-capas son considerados en conjunto con una capa base seleccionada de roca estéril quebrada, es más apropiado utilizar un enfoque mecanístico. Cuando una capa de roca estéril quebrada seleccionada está localizada debajo de la capa de rodamiento, el desempeño del camino es mejorado significativamente, debido principalmente a la capacidad de carga de la capa de de roca seleccionada la cual reduce la susceptibilidad de las sub-capas compuestas de materiales blandos a los efectos de las grandes cargas axiales. También tiene la ventaja adicional de reducir los costos (en virtud de la reducción volumétrica y de los requerimientos de compactación), comparado con el enfoque del método de diseño CBR.
Método Mecanístico de Diseño Estructural
Utilizando una metodología
mecanística de diseño, las especificaciones de los espesores de las capas y la compactación están basadas en las limitaciones de deformación en la suave capa in-situ
debajo de los ciertamente valores críticos. Estos valores están asociados con la categoría del camino que está siendo diseñado, los requerimientos de desempeño y la vida útil del camino. Cuanto mayor sea el volumen de tráfico y mayor la vida útil del camino, menor será el valor critico de deformación. Estos datos entonces son utilizados para determinar el espesor de la capa de roca quebrada que se colocará sobre la capa in-situ o de relleno de tal
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manera que el camino tendrá un desempeño satisfactorio durante su vida productiva.
Las especificaciones del espesor de la capa y la compactación se basan en la limitación del material suave de la capa in-situ a la deformación por las cargas-inducidas bajo ciertos valores críticos. Cuanto mayor sea la carga de las ruedas y los volúmenes de tráfico (kt/dia), más larga deberá ser la vida útil y mayor deberán ser los requerimientos de desempeño del camino, menor será el valor de deformación crítico.
Como se discutió anteriormente, si un sistema de clasificación de caminos es desarrollado, las categorías de diseño establecidas reflejarán esos valores críticos de deformación, así como se muestra abajo.
Un diseño mecanístico de las capas del camino está basado en un sistema de modelo teórico lineal-elástico. Un criterio de diseño para limitar la deformación por compresión vertical en las sub-capas o en la capa in-situ es utilizado para determinar las condiciones de carga específicas en un camino de transporte, de este modo determinando la adecuación del diseño estructural. La deformación inducida por compresión vertical en un camino por las pesadas cargas de las ruedas, disminuyen al aumentar la profundidad, la cual permite el uso de técnicas de gradación y preparación de materiales; donde materiales mas resistentes son utilizados en las regiones superiores del pavimento. El camino en su conjunto
Range of maximum permissible vertical compressive strains (μstrains)
Haul Road C
ate
gory
Typical Description
Tra
ffic
volu
mes >
100kt/
day
Tra
ffic
volu
mes <
100kt/
day
CATEG
ORY I
Permanent life-of-mine high traffic volume main hauling roads and ramps in- and ex-pit. Operating life >20 years
900 1500
CATEG
ORY I
I Semi-permanent medium- to high traffic volume ramp roads in- and ex-pit. Operating life >10 years
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values for mine haul road structural design
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0 40 80 120 160 200 240 280 320
Traffic volume (kt/day) x performance index
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s Category III Haul Road
Category II Haul Road
Category I Haul Road
Limiting pavement layer vertical compressive strain
values for mine haul road structural design
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Category I Haul Road
CATEG
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II Shorter-term medium- to
low-volume in-pit bench access, ex-pit dump, or ramp roads. Operating life; <5 years at >50kt/day) <10 years at <50kt/day)
2000 2500 Maximum permissible vertical strains can also be determined from (kt/day x performance index) where performance index is defined as; 1 Adequate but fairly maintenance intensive 2 Good with normal maintenance interventions 3 Outstanding with low maintenance
requirements
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deberá limitar las deformaciones en las sub-capas (in-situ) a un nivel aceptable y las capas superiores deberán también de similar manera proteger las capas inferiores. Utilizando este precedente, la estructura del camino deberá teóricamente proveer un servicio adecuado durante su vida útil.
En términos generales, las cargas aplicadas, la resistencia de la sub-base y el espesor estructural del pavimento y los factores predominantes de la resistencia de las capas controlan el desempeño estructural de un camino de transporte. Un límite superior de 2000 microstrain es generalmente colocado en los valores de deformación de la capa. Los valores de deformación que exceden 2500 microstrains estan asociados con un desempeño estructural inaceptable en todos los caminos, pero no a los caminos a corto plazo para vehículos ligeros.
Los datos de una clasificación de caminos y un ejercicio de categorización, pueden ser usados para ayudar en la selección de un valor limitante de tensión, de acuerdo con la categoría del camino a construir y la asociada vida útil y volúmenes de tráfico, como es mostrado en la tabla a continuación. Además, para prevenir un excesivo daño a la capa de rodamiento, la deformación a la capa superior de este estrato debe de ser limitado a no más de 3mm.
Para determinar la respuesta de la capa para una carga aplicada, un modelo elástico en capas debe de ser utilizado para representar en el diseño las diferentes capas del camino de transporte. El
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software está disponible, el cual puede ser utilizado para resolver problemas con las multicapas usadas en el diseño de un camino, estos incluyen ELSYM5, MePADS, FLEA y CIRCLY5.
Independientemente de la solución del software utilizado, el enfoque es similar.
El módulo de elasticidad efectivo (Eeff) (módulo de elasticidad) y el radio de Poisson (v, típicamente de 0.35) define las propiedades del material de las capas requerido para calcular la deformación vertical
(εv) en el camino. Adicionalmente a las propiedades del material, el espesor de la capa (200mm) es también especificado para la capa de rodadura. Al variar el espesor de la capa de roca estéril seleccionada, se encuentra una solución para la deformación máxima en una capa de pavimento que está abajo del límite del criterio de deformación para esa clase de camino. Generalmente, un modelo de tres-capas es suficiente donde el camino es construido directamente sobre un relleno de sub-base (en roca quebrada de la mina) o in-situ (materiales suaves o erosionados de la cubierta de la mina). Si la construcción incorpora materiales in-situ quebrados y compactados, esto puede ser también adherido como una capa adicional. Para fines de cálculo, las capas son asumidas para extenderse infinitamente en la dirección horizontal, y la capa de pavimento más baja a ser infinitamente en profundidad.
La carga aplicada es calculada de acuerdo a la masa del vehículo y la distribución de la carga del eje dual trasero, donde la carga de una sola rueda es determinada. La aplicación de la carga es determinada a partir de la geometría dual de la rueda y, junto con la presión del neumático, la presión de contacto es calculada. La figura resume el modelo elástico de la capa y los datos requeridos.
Las deformaciones inducida en un pavimento están en función de los valores del modulo de elasticidad efectiva (resistencia) asignados para cada capa en la estructura. Con el fin de facilitar el diseño mecanístico de una camino de transporte en una mina, algunas indicaciones de valores de los módulos aplicables son requeridos. La tabla abajo recomienda valores de correlación de módulo de los sistemas de clasificación USCS y AASHTO.
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Para facilitar la selección de los valores del módulo de deformación adecuados para materiales in-situ, el rango asociado de valores CBR, derivados en el campo por el sondeo realizado con el Penetrómetro de Cono Dinámico (DCP – Dynamic Cone Penetrometer), también son dados.
La siguiente ecuación puede también ser utilizada en combinación con los valores CBR de la capa para determinar los valores de los módulos (Eeff, MPa), pero en cualquier caso, se debe tener cuidado para asegurarse que las correlaciones generales presentadas aquí sean consistentes con las propiedades de los suelos no directamente evaluadas en la derivación de la ecuación.
64.063.17 CBREeff
El valor del módulo adoptado para la capa base compuesta de roca estéril quebrada es típicamente de 1500-3000MPa. Este valor es derivado de la consideración de una capa de cemento-estabilizado en un estado de pre-agrietado (grandes bloques intactos con algunas grietas por contracción), que corresponden estrechamente a una bien compactada capa de roca quebrada con tronadura.
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Cuando la compactación es pobre, los materiales son de calidad marginal o se levantan excesivamente, este valor debe reducirse a 1500-2000 MPa.
DCP Evaluación de Materiales In-situ
Debido a que cada situación de diseño de caminos de mina varia, es necesario recopilar los datos concernientes a la resistencia del material in-situ y de las capas que conformaran el camino antes que el diseño sea determinado. Esto puede ser realizado tanto con la prueba realizada con el Penetrómetro Dinámico de Cono (DCP) y pruebas de laboratorio de materiales típicos utilizados para la construcción de edificaciones, para determinar su capacidad de soporte o portante o el California Bearing Ratio (CBR%), o su módulo de resistencia Eeff siguiendo uno u otros sistemas de clasificación de materiales. Una prueba de campo DCP puede ser utilizada para evaluar el CBR del material o la resistencia de una de las capas del camino y además es útil para:
evaluar donde pudieran existir cualquier problema (áreas o puntos blandos) en un camino una vez que ya haya sido construido; y
evaluar la resistencia alcanzada al construir en el in-situ compactado (si es aplicable) y especialmente de la capa de rodamiento de un camino ya terminado – de 0mm-200mm de espesor.
Un DCP es utilizado para evaluar que tan resistente son las capas del camino (y en algunos casos para evaluar la capa in-situ). Esto en relación con la profundidad en el pavimento o el in-situ con la resistencia en ese punto. El DCP es clavado en el camino y a cada 5 golpes con el martillo, una lectura de profundidad es tomada. Entonces esta lectura es
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restada a la lectura de profundidad anterior para dar la penetración cada 5 golpes, esto sobre el incremento de profundidad. Las especificaciones de diseño DCP son mostradas en la figura, “el martillo” mostrado como número 2
Utilizando los grafico ilustrados, por cada incremento cada 5-martillazos, primero se determina el valor CBR a cada profundidad (gráfico central), y entonces en segundo lugar se dibujan los valores CBR en la gráfica Profundidad/CBR.
En la siguiente ilustración, se reconocen tres capas, capa de rodadura CBR100 de 150mm de profundidad aproximadamente, se recomienda una base CBR30 a 450 mm de profundidad y una sub-base CBR10 a 900 mm (profundidad máxima de DCP).
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tra
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mm
pe
r 5
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) .
.
CBR (%)
Dynamic Cone PenetrometerPavement CBR(%) values from penetration (mm for
every 5 blows)
- 18 - 20 - 25 40 - 10
- 79 17 - 30 170 - 135 8 - 29
- 135 19 - 40 170 - 258 7 - 47
- 199 16 - 49 185 - 407 6 - 72
- 252 20 - 56 232 - 465 18 - 86
- 322 14 - 62 263 - 482 87 - 102
- 408 11 - 74 135 - 500 81 - 117
- 536 7 - 92 81 - 513 122 - 140
- 687 5 - 111 75 - 524 151 - 155
- 890 4 - 142 40 - 535 151 - 211
- 179 32 - 544 185 - 255
- 24 56 - 215 33 - 552 206 - 327
- 50 51 - 270 20 - 560 206 - 418
- 87 32 - 336 15 - 460
- 130 27 - 422 11 - 17 87 - 499
- 185 20 - 537 8 - 70 20
- 256 14 - 660 7 - 110 29 - 23
- 360 9 - 805 6 - 167 19 - 50
- 489 7 - 932 7 - 195 46 - 63
- 696 4 - 247 21 - 75
- 934 3 - 362 8 - 110
- 384 62 - 123
- 394 170 - 175
- 420 51 - 275
- 542 7 - 360
- 590 23 - 456
- 610 70 - 477
- 615 300 - 587
- 620 300 - 645
-900
-800
-700
-600
-500
-400
-300
-200
-100
0
1 10 100 1000
Pa
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me
nt
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pth
(m
m)
.
CBR(%)
LMN MineDynamic Cone Penetrometer
Pavement CBR(%) values and layer interfaces
Slagment Wearing Course Access Road X=+47 423 Y=+38 967
Layer 1
Layer 3
Layer 2
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Gráficos de Diseño para Camiones de Transporte
Comunes
Los gráficos de diseño dado en las siguientes páginas están basados en un camión de transporte completamente cargado, operando a la máxima Masa Vehicular Bruta (GVM – Gross Vehicle Mass, en toneladas) especificada por el fabricante con los neumáticos estándar recomendados (Radiales), inflados a 800kPa (116 PSI).
El diseño del camino es asumido que incorpora 200mm de capa de rodamiento con un CBR>80%, una capa de roca quebrada seleccionada (como se discutió anteriormente), construida sobre una capa de material in-situ con un modulo-E como se muestra en los gráficos. La profundidad del material in-situ está limitado a 3000mm, donde se supone que existe una capa rígida (ya sea roca-suave o material saturado).
Las tablas dan el requerido espesor de la capa base (roca) para un camino de transporte Categoría I, II y III, para un modelo de camión en particular, para un módulo elástico in-situ/sub-grado de 10-300MPa (aproximadamente CBR1 a CBR85). Si alguno de los parámetros anteriores no es aplicable para el caso de diseño, entonces es requerido un análisis especial para acomodar los requerimientos de la aplicación.
CAT 797B Base Layer Thickness Design
800kPa tyre pressure, fully laden truck at OEM GVM
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1200
1400
1600
1800
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10 100 1000In-situ Resilient Modulus Eeff (MPa)
Base L
ayer
Th
ickn
ess (
mm
)
Category I Category II Category III
Wearing course
200mm
E = 350MPa
Base layer
thickness
Eeff= 3000MPa
In-situ
Thickness
3000mm
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EH5000 Base Layer Thickness Design
800kPa tyre pressure, fully laden truck at OEM GVM
0
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600
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1000
1200
1400
1600
1800
2000
10 100 1000
In-situ Resilient Modulus Eeff (MPa)
Base L
ayer
Th
ickn
ess (
mm
)
Category I Category II Category III
Wearing course
200mm
E = 350MPa
Base layer
thickness
Eeff= 3000MPa
In-situ
Thickness
3000mm
960E Base Layer Thickness Design
800kPa tyre pressure, fully laden truck at OEM GVM
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
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10 100 1000
In-situ Resilient Modulus Eeff (MPa)
Base L
ayer
Th
ickn
ess (
mm
)
Category I Category II Category III
Wearing course
200mm
E = 350MPa
Base layer
thickness
Eeff= 3000MPa
In-situ
Thickness
3000mm
EH4500 Base Layer Thickness Design
800kPa tyre pressure, fully laden truck at OEM GVM
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
10 100 1000
In-situ Resilient Modulus Eeff (MPa)
Base L
ayer
Th
ickn
ess (
mm
)
Category I Category II Category III
Wearing course
200mm
E = 350MPa
Base layer
thickness
Eeff= 3000MPa
In-situ
Thickness
3000mm
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930E Base Layer Thickness Design
800kPa tyre pressure, fully laden truck at OEM GVM
0
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400
600
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1000
1200
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In-situ Resilient Modulus Eeff (MPa)
Base L
ayer
Th
ickn
ess (
mm
)
Category I Category II Category III
Wearing course
200mm
E = 350MPa
Base layer
thickness
Eeff= 3000MPa
In-situ
Thickness
3000mm
CAT793D Base Layer Thickness Design
800kPa tyre pressure, fully laden truck at OEM GVM
0
200
400
600
800
1000
1200
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10 100 1000
In-situ Resilient Modulus Eeff (MPa)
Base L
ayer
Th
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ess (
mm
)
Category I Category II Category III
Wearing course
200mm
E = 350MPa
Base layer
thickness
Eeff= 3000MPa
In-situ
Thickness
3000mm
CAT789C Base Layer Thickness Design
800kPa tyre pressure, fully laden truck at OEM GVM
0
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1200
1400
10 100 1000
In-situ Resilient Modulus Eeff (MPa)
Base L
ayer
Th
ickn
ess (
mm
)
Category I Category II Category III
Wearing course
200mm
E = 350MPa
Base layer
thickness
Eeff= 3000MPa
In-situ
Thickness
3000mm
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CAT785D Base Layer Thickness Design
800kPa tyre pressure, fully laden truck at OEM GVM
0
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600
800
1000
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In-situ Resilient Modulus Eeff (MPa)
Base L
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Th
ickn
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mm
)
Category I Category II Category III
Wearing course
200mm
E = 350MPa
Base layer
thickness
Eeff= 3000MPa
In-situ
Thickness
3000mm
6-1
6 DISEÑO FUNCIONAL DEL
CAMINO DE TRANSPORTE
Introducción al Diseño Funcional
Igualmente importante como la resistencia estructural del diseño es la transitabilidad funcional del camino de transporte. Este procedimiento está basado en gran medida a través de la selección, aplicación y mantenimiento de los materiales de la carpeta de rodamiento (o
revestimiento de camino). Un pobre rendimiento funcional se manifiesta como una pobre calidad de viaje, exceso de polvo, incremento en el desgaste y daños a los neumáticos y por consiguiente una pérdida de la productividad. El resultado de estos efectos se puede ver en un incremento en los costos de operación y mantenimiento de los vehículos.
Las especificaciones del diseño funcional se preocupan de la carpeta de rodamiento (o de la capa de la cubierta). El material utilizado debe cumplir con las especificaciones y debe ser construido (críticamente aquí, compactado) correctamente
Si no, entonces el camino tendrá un desempeño muy pobre y deberá recibir mantenimiento intensamente – requerirá ser raspado.
Capítulo
6
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regularmente debido a que el material de la carpeta de rodamiento es muy suave, o muy suelto (deleznable o desmoronable), mucho polvo o muy resbaladizo (especialmente cuando esta mojado, pero también cuando está seco debido a la presencia de material suelto o “no consolidado” sobre la superficie). Estos problemas son referidos como “defectos” de las condiciones del camino y cualquier especificación del diseño funcional está dirigida a reducir estos defectos – y como se verá, de este modo reduciendo la resistencia al rodado.
El material de la capa de rodado es vaciado sobre la capa base o la capa de roca estéril quebrada. Después wheeldozer o una motoniveladora abrirán el material y lo esparcirán uniformemente sobre el camino antes de ser compactado. La corona del camino que ya ha sido establecida sobre la capa base – esto significa que la carpeta de la superficie de rodamiento puede ser de un espesor constante de 200mm a través de todo el ancho del camino, incluyendo los lados y las cunetas de drenaje, las cuales forman parte del ancho de la construcción.
Tenga en cuenta también que la carpeta de rodamiento es significativamente más débil que una capa base compuesta de roca estéril quebrada, por lo que no queremos una capa demasiado gruesa de este material en la parte superior del camino. El trabajo principal de esta capa es proporcionar una superficie segura, agradable al conducir, de bajo costo de operación y libre de excesivos defectos. El reforzamiento de un camino pobremente construido requiere incrementar el espesor y la resistencia de la capa base y/o de la sub-base, no simplemente incrementar solamente el espesor de la carpeta de rodamiento – esta capa contribuye en general a la resistencia estructural del camino, pero las modificaciones no resolverán los problemas de la capa que conforma la cubierta del camino.
Banco de Materiales Para la Carpeta de Rodamiento y Su Preparación
Las especificaciones
de los materiales se discutirán en breve – sin embargo, es fácil reconocer un buen material para la carpeta de rodamiento (pero también tendrá
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que hacerle pruebas a cualquier material que se quiera utilizar para asegurarse que este cumple con las especificaciones).
A la izquierda, ésta es probablemente una buena mezcla de roca quebrada que será utilizada, todo el material es menor de 40mm en tamaño y no contiene mucho material fino (menos de 20% - 0.425mm). Tenga cuidado con los agregados aluviales muy redondeados en la mezcla – estos no se entrelazan entre si fácilmente y eventualmente se desprenderán de la capa de rodamiento.
A la derecha se puede observar un material que no formará una buena carpeta de rodamiento. También puede observarse que no hay material fino para la unión de la mezcla – por lo tanto cuando se intenta la compactación, el material no se asentará. Tampoco será adecuado para la capa base. Aunque no hay finos (bueno desde el punto de vista del material de una capa base), hay muy poca variación en el tamaño de la mezcla y no se compactara bien, ni se podrá unir bien (un problema agravado por los suaves agregados aluviales en el material).
A menudo, cuando no hay material o mezcla de materiales adecuados para la carpeta de rodamiento se pueden encontrar en los alrededores de la mina, se puede utilizar una pequeña trituradora de quijada para quebrar y preparar roca quebrada como agregado para la capa de rodamiento, a menudo en una mezcla de uno o más materiales para formar el producto final. Esto también es útil para crear un agregado fino utilizando la roca quebrada para ser colocado como una cubierta en el piso de carga, para reducir el daño a los neumáticos y para aumentar la elevación del camino para ponerlo fuera del alcance de los derrames de agua en estas áreas (y, una vez que se están produciendo estos materiales, muy a menudo pueden ser utilizados para mucho otros propósitos dentro y fuera de la mina).
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Recuerde – los caminos de transporte llegan a cualquier parte, donde sean requeridos - la capacidad de carga de los caminos, áreas principales del chancador o botaderos también deben de ser consideradas como parte de la red de caminos de transporte. Incluso caminos de corto plazo, pobremente preparados contribuirán al daño en el largo plazo a los camiones de la mina.
Las siguientes figuras muestran una aplicación en particular donde un material adecuado fue obtenido en la mina, dinamitado para producir material para la construcción de caminos y descargado en la superficie. La primera figura es la fuente de material para la construcción de la capa base, la segunda parte de este material es cargado en una trituradora de quijada para producir material con un tamaño menor a los 40mm y usado en la superficie de rodado, como se muestra en la última Figura.
Selección del Material de la Carpeta de Rodado
El diseño funcional de un camino de transporte es el proceso de selección del material o mezcla de materiales más apropiados para la capa de rodado (o capas de la cubierta), típicamente grava natural o roca triturada y mezcla de gravas que son adecuadas tomando en cuenta las consideraciones de seguridad, operación, medio ambiente y económicas. El material más comúnmente utilizados en la capa de rodamiento para los caminos de transporte sigue siendo grava compactada o mezclas de grava con roca
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triturada. Además de su baja resistencia al rodado y alto coeficiente de adhesión, su más grande ventaja sobre otros materiales utilizados en la capa de rodado es que la superficie del camino puede ser construida rápidamente y mantenida a un costo relativamente bajo. Al igual que con los diseños estructurales, si el material de la mina puede ser utilizado para la construcción, todos los costos son aún más favorables. La ventaja de este costo es, sin embargo, no aparentemente en el largo plazo si es que las características del material de la carpeta de rodamiento resultan en un rendimiento funcional sub-óptimo.
Una capa de rodamiento ideal en la construcción de un camino de transporte en una mina, debe de cumplir con los siguientes requerimientos:
la habilidad de proveer un recorrido seguro y apropiado para los vehículos sin la necesidad de un mantenimiento excesivo;
adecuada transitabilidad bajo condiciones mojadas o secas;
habilidad de despojarse del agua sin causar una erosión excesiva;
resistencia a la acción abrasiva del tráfico;
libre de polvo en exceso en climas secos;
libre de superficies excesivamente resbaladizas; y
de mantenimiento fácil y de bajo costo.
Los defectos más comunes asociados con los caminos de transporte de mina, en orden de impacto decreciente en el rendimiento del transporte, típicamente son:
Resistencia al deslizamiento – en mojado
Resistencia al deslizamiento – en seco,
Exposición al polvo,
Material suelto,
Corrugación,
Pedregoso – suelto,
Baches,
Hundimientos,
Pedregoso – fijo,
Grietas – deslizamiento, longitudinal, y en forma de piel de cocodrilo.
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El clima también es una consideración en la selección del material; en un clima húmedo se encuentran, materiales finos que deben ser restringidos a menos de un 10% para prevenir condiciones de lodo, condiciones resbaladizas cuando esta mojado. Por otro lado. En climas secos, los finos deben de exceder el 5% para prevenir el desmoronamiento o desprendimiento de los agregados de la capa de rodamiento.
Al examinar qué parámetros de las propiedades del material de la carpeta de rodado conducen a estos defectos, una especificación que se ha desarrollado para la selección de los materiales de la capa de rodamiento. Las especificaciones están basadas en una evaluación de la contracción del material de la capa de rodamiento (Sp) y el coeficiente de clasificación (grading) (Gc), definido en la siguiente página. Tenga en cuenta que esta especificación está basada en los tamaños de los tamices AASHTO y si los tamices de la norma AS1289 son utilizados para clasificar los materiales de una carpeta de rodamiento, se tendrán que realizar algunas correcciones para ser aplicados para calcular su equivalente de los tamaños de los tamices utilizados en la AASHTO.
P425 x LSSp
100
P475 x P2) - (P265Gc
Donde;
LS = Bar linear shrinkage
P425 = Porcentaje de muestra de material de la capa de rodadura que pasa el tamiz de 0.425 mm
P265 = Porcentaje de muestra de material de la capa de rodadura que pasa el tamiz de 26.5 mm
P2 = Porcentaje de muestra de material de la capa de rodadura que pasa el tamiz de 2.0 mm
P475 = Porcentaje de muestra de material de la capa de rodadura que pasa el tamiz de 4.75 mm
Un material adecuado para la carpeta de rodadura puede ser determinado por el gráfico para seleccionar que se muestra aquí, en términos de los dos parámetros que describen el material; el coeficiente de clasificación (Gc) y la contracción del producto (Sp). Si se consideran los tres defectos más críticos, parece que por mucho la preferencia de los usuarios del camino de la mina - es reducir los defectos como la resistencia al deslizamiento en mojado, polvo, y la resistencia al deslizamiento en seco.
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Esto define el punto de enfoque de las especificaciones
a un área delimitada por un coeficiente de clasificación de 25-32 y una contracción del producto de 95-130, en el que los defectos en
total o individual son minimizados (Área 1). Extendiendo esta región para abarcar las áreas de pobre rendimiento (pero sin embargo operable), permite definir un área adicional (Área 2).
Las especificaciones del Área 2 serán adaptadas a las Categorías de Camino II y III, desde una perspectiva de rendimiento, mientras que las Categorías de Camino I y II idealmente tendrán una superficie de rodamiento que cae en el Área 1. Si la superficie de rodamiento cae fuera de las especificaciones – la gráfica muestra que tipo de problemas (defectos) puede esperar. Cuando los materiales o la mezcla de materiales que componen la superficie de rodamiento son sub-óptima, se formarán defectos „funcionales‟ rápidamente en el camino y estos crearán problemas de seguridad y de rendimiento para la mina. Veremos estos problemas más adelante.
Si los únicos materiales disponibles para la selección a utilizar en la carpeta de rodamiento caen fuera de los límites de los parámetros, una mezcla de estos materiales puede ser evaluada usando las guías que se muestran arriba. El radio de mezcla propuesto puede ser utilizado para definir una nueva especificación de „mezcla‟ de materiales proporcional al radio de mezcla, de la que el Gc (coeficiente de clasificación) y Sp (contracción del producto) pueden ser determinados. De manera similar, una superficie de rodado de un camino de transporte existente puede ser rehabilitada exitosamente mediante la adición de los materiales apropiados para restaurar la mezcla con la especificación. Las especificaciones también deben de ser evaluadas a la luz de otros límites identificados de las propiedades de los materiales tan importante en el rendimiento funcional pero no directamente evaluados en la gráfica de selección. La siguiente tabla presenta un resumen de los límites de estas propiedades, junto con los tipos de defectos más comunes en los caminos frecuentemente asociados con la procedencia de los rangos de los parámetros recomendados.
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Impacto en la
Funcionalidad por
Debajo del Rango
Recomendado
Parámetros
de
Materiales
Rango
Min Max
Impacto en la Funcionalidad
por Encima del Rango
Recomendado
Reducir el deslizamiento,
pero puede ser propenso a
desmoronamiento y
corrugación
Shrinkage
Product
85 200 Aumento de polvo y una pobre
resistencia al deslizamiento.
Incremento de piedras
sueltas, ondulaciones y
potencial daño a los neumáticos
Grading
Coefficient
20 35 Aumento del
desmoronamiento y poca
resistencia al deslizamiento en
seco.
Reducción de polvo pero el
material suelto se
desmorona
Dust Ratio* 0,4 0,6 Aumento en la generación de
polvos
Aumento de piedras
sueltas
Liquid Limit
(%)
17 24 Propenso a generar polvo,
reducción de
desmoronamiento
Aumento de piedras
sueltas
Plastic Limit
(%)
12 17 Propenso a generar polvo,
reducción de
desmoronamiento
Aumento de la tendencia a
desmoronamiento y
piedras sueltas
Plasticity
Index
4 8 Propenso a generar polvo y
una pobre resistencia al
deslizamiento en mojado.
Pobre transitabilidad en
clima mojado, excesiva
deformación y erosión
cruzada. Mantenimiento
intensivo.
Soaked CBR
at 98% Mod
AASHTO
80 Aumento en la resistencia a la
erosión y hundimiento y
mejora la transitabilidad
Facilidad de
mantenimiento. Manejo
agradable para los
vehículos y sin daño a los
neumáticos
Maximum
Particle Size
(mm)
40 Un terminado de baja calidad
después del mantenimiento,
hoyos y potencial daño a los
neumáticos
* El radio de polvo se define como ;
425P
P075
P075 = Porcentaje de muestra de material de la capa de rodadura que pasa el tamiz de 0,075mm P425 = Porcentaje de muestra de material de la capa de rodadura que pasa el tamiz de 0,425mm
La ventaja de este enfoque para las especificaciones de los materiales es que permite seleccionar una superficie de rodamiento entre dos materiales aparentemente „pobres‟ que, por si mismo, no podrían cumplir con las mínimas especificaciones.
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Los resultados típicos de las pruebas de dos
posibles materiales para la capa de desgaste son mostrados aquí, y se puede ver como, cuando un material es utilizado por si solo, sería inadecuado, pero
cuando se mezcla en una proporción específica con la superficie de rodamiento existente (también inadecuada), harían una capa de desgaste ideal. Los datos en la siguiente tabla no son genéricos y obviamente difieren entre minas.
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SCREEN ANALYSIS
(% Passing)
63mm 100 100 100 100
53mm 100 100 100 100
37,5mm 100 100 100 100
26,5mm 84 97 100 90
19mm 68 88 100 78
13,2mm 60 85 100 73
4,75mm 47 71 76 58
2mm 36 58 32 40
0,425mm 21 42 2 21
0,075mm 8 24 1 10
ATTERBERG LIMITS
Liquid Limit (%) 28 29 27
Plasticity Index 6 13 11 8
Linear Shrinkage (%) 2.5 6 4.5 3.6
Grading Modulus 2.35 1.87 2.65 2.31
Shrinkage Product 53 349 9 103.2
Grading Coefficient 23 24 52 28.7
Wearing Course Material Samples
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200
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300
350
400
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
Grading Coefficient
Sh
rin
kag
e p
rod
uct
Crushed waste Current haul road Plant discard
Recommended (1) Recommended (2) New haul road mix
Dustiness Slippery w hen w et
Loose material
Loose stones
Corrugates
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Utilizando las guías de especificaciones, una mezcla constituida por una masa de 60% de roca de desecho triturada, 20% de material existente proveniente de la carpeta de rodamiento del camino actual y 20% de material de desecho de la planta que se encontró que cumplía con las especificaciones y el camino fue rehabilitado (se adicionaron otros materiales a la existente capa de rodamiento para mejorar su desempeño). En todos los casos, es recomendado un espesor máximo de la capa de rodamiento de 200mm, con un CBR ≥ de 80% (4-dias de saturación).
Los parámetros de la carpeta de rodamiento mencionados en las guías de selección son determinados a partir de pruebas típicas en un laboratorio de ingeniería civil, similares a los mostrados en la siguiente página. Por lo general, estas pruebas cubren;
Análisis con una criba o tamiz de -0.075mm;
Constantes (limites Atterberg y de contracción linear)
mod AASHTO o (especificaciones equivalentes de compactación local)
contenido de humedad óptimo (OMC), máxima densidad en seco.
Además de analizar el material utilizado en la carpeta de rodamiento, es también importante que la carpeta de rodamiento sea construida en base a las especificaciones. Dos conceptos que son importantes aquí, el CBR o la resistencia lograda y la cantidad de humedad necesaria para adherir al material para conseguir la resistencia especificada.
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Colocación y Compactación
Contenido de humedad y compactación
Anteriormente, se observó que cuando se está compactando la capa base, esto debe de hacerse en seco (no agregar agua al material). En el caso de la carpeta de rodamiento, el o los materiales usados aquí poseen una densidad óptima para asegurar un soporte adecuado, estabilidad, y resistencia. La adición de agua a este material permite que las partículas finas se muevan de una a la otra durante la aplicación de las fuerzas de compactación. Mientras la carpeta de rodamiento es compactada, los espacios
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vacios son reducidos y esto causa que la densidad en seco aumente hasta un punto, pero entonces cae por que la compactación factible es limitada por el volumen ocupado por el agua en los poros (la línea cero de aire vacío (ZAV-zero air void)). Durante la compactación no hay tiempo para que el agua pueda ser “exprimida”. Cuando la compactación de la capa de rodamiento esta
cerca de alcanzar la línea ZAV (la cual nos da una densidad máxima en seco para un contenido de humedad dado), es alcanzada una densidad máxima en seco y cuando el contenido de humedad esta en el punto máximo
es llamado contenido de humedad optimo (OMC-optimum moisture content).
Incrementando los esfuerzos de compactación nos permite lograr mayores densidades en seco a valores de OMC más bajos. El efecto de incrementar la energía de compactación se puede ver aquí. Cuando el contenido de humedad es mayor que el OMC, equipos de compactación más grandes tendrán solamente un efecto mínimo en incrementar la densidad en seco. Por esta razón es importante tener un buen control sobre el contenido de humedad durante la compactación en campo.
El procedimiento del sitio es para especificar que la carpeta de rodamiento debe de ser compactada a una densidad en seco
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previamente determinada. Esta especificación es usualmente para un cierto porcentaje de la máxima densidad en seco, y debe de ser lograda como se encontró en las pruebas de laboratorio (ej. Mod AASHTO). Por ejemplo, las densidades en campo deben ser mayores que un 98% de la máxima densidad en seco como fue determinado por la Prueba de Compactación Mod AASHTO (98% Mod AASHTO MDD). Es entonces cuando le corresponde al contratista seleccionar la maquinaria, el espesor de cada capa (estrato adherido de capa de rodamiento) y controlar el contenido de humedad con el fin de alcanzar la especificada cantidad de compactación. Es común hacer algunos ensayos y pruebas de compactación para determinar el número necesario de pasadas con la maquinaria y la cantidad de agua que será adherida para lograr las especificaciones. Como una alternativa, se puede utilizar la Compactación Inteligente, pueden ser utilizados rodillos vibradores equipados con un sistema de medición in-situ y un control de retroalimentación. Incluido trazado de mapas basado en GPS, junto con un software que realice presentación de reportes. Mediante la combinación de medidas, reportes y sistema de control. Los rodillos también mantienen un registro que incluye el número de pasadas realizadas por el rodillo, medidas de rigidez del material generado por el rodillo y la localización precisa del rodillo. Por lo general es mejor tratar de mantener al mínimo el número de pasadas realizadas por el rodillo. Debido a los pesados camiones que usaran el camino, es mejor construir en el rango “seco” del óptimo (ligeramente a la izquierda del diagrama OMC), en lugar del rango óptimo o arriba de éste.
Notas de las especificaciones del método
Las especificaciones del método para la carpeta de rodamiento dependen, si el camino de transporte está siendo construido como nuevo o está siendo rehabilitado (donde el material es mezclado con el material de la capa de rodamiento para que el camino logre tener las especificaciones nuevamente). Para la rehabilitación, la existente carpeta de rodamiento debe de ser rasgada y escarificada y cualquier pedazo o terrón grande de material reducido al tamaño máximo de 1/3 del espesor de la capa compactada. Durante el procesamiento, la capa escarificada debe ser surcada o raspada para provocar que los terrones grandes salgan a la superficie. Una rastra de discos puede ser utilizada para estos propósitos. Para ambos caminos nuevos o rehabilitados, el material a mezclar debe de ser vaciado en el lugar, abierto (y mezclado con el material de la existente carpeta de rodamiento, si se realiza la rehabilitación de ésta). Para la colocación de la carpeta de rodamiento debe procederse en dos estratos o capas de 100mm cada una y compactada a 98% de la Máxima Densidad en Seco (Maximum Dry
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Density) para darle un mínimo de 80% de CBR, utilizando entre 4-8 pasadas con el rodillo vibrador, y ya sea con contenido de humedad o ligeramente seco del rango óptimo.
La Selección y Aplicación de Paliativos Para Polvo
Introducción
El regado de caminos de transporte es la forma más común para la supresión de polvos. Sin embargo, no es necesariamente el método más efectivo en términos de costos para la reducción de emisiones de polvo, especialmente donde el
agua es un recurso limitado y/o la tasa de evaporación son altos. Un riego excesivo puede causar la erosión de la capa de rodamiento y donde el material tiene un Sp alto, es probable que se formen pequeños baches (3-7cm de diámetro). En si esto no es problemático, pero esto inducirá una deterioración más rápida de la carpeta de rodamiento.
Un sistema de riego más efectivo puede ser logrado usando barras con aspersores y boquillas montadas cerca de la superficie del camino, para un regado más uniforme, un regado ligero del camino (0.5litros/m2) que podría ser logrado con un arreglo con placa de goteo. Los resultados pueden ser mejorados aun más:
la integración de la velocidad del camión con una proporción de distribución de agua, para prevenir un sobre-riego de las rampas, etc; y
usando un patrón de rociado de 50m por 50m en los caminos y permitiendo a los camiones de transporte trasladar el agua sobre la sección seca. Esto también mejora la seguridad en los segmentos de las rampas, especialmente en los transportes hacia abajo a mayor velocidad, donde los camiones están utilizando el sistema de retardo y de resistencia al deslizamiento.
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Donde solamente el regado no es suficiente para reducir la emisión de polvos a los niveles de emisiones requeridos, necesitamos ver más de cerca el cómo se crea el polvo en el camino de la mina. La generación de polvos es el proceso por el cual el material fino procedente de la carpeta de rodamiento es transportado por medio del viento. Tal generación se le da el término de fuente de polvo fugitivo (o abierto). La cantidad de polvo que será emitido es una función de dos factores básicos:
la habilidad del aire de erosionar el material involucrado; y
la erosión causada por las acciones a las que está sujeto el material.
En amplios términos, la efectividad de cualquier sistema de supresión de polvos es dependiente en los cambios de las propiedades del material a la erosionabilidad y erosividad. Los limos y fracciones de arenas finas de la carpeta de rodamiento (ej. 2-75µm) son unos buenos indicadores de su erosionabilidad.
El motivo para usar algunos agentes adicionales para reducir la erosionabilidad heredada está basado en incrementar la unión de partículas. La fracción más fina, aunque contribuye a la cohesión, también genera la mayoría del polvo,
particularmente cuando está seco. La presencia de fracciones más grandes en el material ayudara a la reducción de la erosionabilidad de las fracciones más finas, así como seria la presencia de humedad, pero solamente en la interface entre la superficie y la acción de la erosión mecánica. Esto forma las bases de las técnicas de supresión de polvos basadas en agua comúnmente usadas en los caminos de transporte. Las consecuencias de la generación de polvos incluyen:
pérdida y degradación del material de la carpeta de rodamiento, las partículas finas son perdidas como polvo y los materiales más gruesos son barridos de la superficie o generaran un defecto funcional de la resistencia al deslizamiento en seco.
disminución de la seguridad e incremento en el potencial de accidentes para los usuarios del camino, debido a la
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reducción o limitadas distancias de visibilidad, visión y la reducción local de la calidad de aire; y
mayor costo de operación, debido a la penetración de polvo en los motores y en otros componentes resultando en el incremento de las tasas de desgaste y una mayor frecuencia de mantenimiento.
Hay muchos productos disponibles que dicen reducir tanto el polvo y los requerimientos de mantenimiento de los caminos de la mina. Sin embargo a menudo, se pueden encontrar solamente un mínimo de especificaciones de sus propiedades y no hay estudios completos, controlados y comprensivos de su rendimiento que sea comparable y que se hayan llevado a cabo pruebas reconocidas y que los resultados hayan sido
publicados. Adicionalmente, a menudo resulta en incorrectas técnicas de aplicación y
métodos de construcción, lo cual lleva a un considerable escepticismo acerca de tales productos, su costo total y efectividad.
Selección del Paliativo
Desde una perspectiva de la minería, los siguientes parámetros podrían definir un aceptable paliativo de polvo:
aplicación rociando con penetración profunda (la habilidad de penetrar materiales compactados), o aplicaciones de mezcla con preparación mínima en el sitio (rasgar, mezclar y re-compactar);
aplicaciones sencillas que requieran supervisión mínima, no sensible y que no requieran mantenimiento excesivo o re-aplicaciones estrechamente controladas;
el camino debe estar listo para ser transitado en un máximo de 24 horas (producto de curado de corto plazo);
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disponibilidad en cantidades suficientes y a precios razonables;
durabilidad adecuada o probada, eficiencia y resistencia a la deterioración por lixiviación, evaporación, luz ultra violeta y reacción química con la capa de rodado o derrames en la carretera;
eficaz durante ambas temporadas, húmeda y seca; y
evaluados contra las estándares locales e internacionales y ambientalmente aceptable.
La matriz de selección debajo puede ser utilizada adicionalmente para identificar las clases de paliativos, los cuales serían adecuados para ciertas aplicaciones. Sin embargo, los datos no especifican el nivel de rendimiento que puede ser esperado, tampoco el grado promedio de atenuación o grado de degradación expresada en términos de tiempo desde el establecimiento inicial y las tasas de re-aplicación. Esta información puede ser requerida como un precursor a la evaluación económica de la selección del punto paliativo de referencia contra el caso base de rociado con agua.
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Petroleum Emulsions
I
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Polymer Emulsions
I
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Tar/ Bitumen Emulsions
R
I
SR
Notes
I - Initial establishment application
R - Follow-on rejuvenation applications
M - Maintain when moist or lightly watered
SO - Maintain with spray-on re-application
SR - Maintain with spot repairs
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Las extensas clases de productos disponibles son descritas abajo:
Un material de pobre calidad en la capa de rodamiento no puede ser mejorado para que tenga un rendimiento adecuado solo por medio de la adición de un atenuador para polvo. El material de la carpeta de rodamiento idealmente, debe cumplir con las especificaciones que se presentaron anteriormente. Si no, las deficiencias funcionales inherentes del material negarán cualquier
Hygroscopic
Salts Lignosulphonates
Petroleum-based
products
Others
(Sulphonated
petroleum,
Ionic products,
Polymers and
Enzymes)
Climatic
Limitations
Salts loose effectiveness in continual dry periods with low relative humidity. Selection dependant on relative humidity and potential to water road surface.
Retains effectiveness during long dry periods with low humidity.
Generally effective, regardless of climate but will pothole (small diameter) in wet weather where fines content of wearing course is high.
Generally effective, regardless of climate.
Wearing
Course
Material
Limitations
Recommended for use with moderate surface fines (max 10-20%<0,075mm). Not suitable for low fines materials or high shrinkage product/PI1 low CBR2 or slippery materials.
Recommended for use where high (<30%<0,075mm) fines exist in a dense graded gravel with no loose material.
Performs best with low fines content (<10%<0,075mm). Use low viscosity products on dense fine grained material, more viscous products on looser, open-textured material.
PI3 range 8-35 Fines limit 15-55% < 0,075mm. Minimum density ratio 98% MDD (Mod). Performance may be dependant on clay mineralogy (enzymes).
Treatment
Maintenance
and Self-repair
Capability
Reblade under moist conditions. CaCl2 is more amenable to spray-on application. Low shrinkage product materials may shear and corrugate with high speed trucks. Shear can self-repair.
Best applied as an initial mix-in and quality of construction important. Low shrinkage product materials may shear and corrugate with high speed trucks. Tendency to shear or form ‘biscuit’ layer in dry weather - not self-repairing.
Requires sound base and attention to compaction moisture content. Slow speed, tight radius turning will cause shearing - not self repairing, but amenable to spot repairs.
Mix-in application - sensitive to construction quality. Difficult to maintain - rework. Generally no problem once cured.
Tendency to
Leach out or
Accumulate
Leaches down or out of pavement. Repeated applications accumulate.
Leaches in rain if not sufficiently cured. Gradually oxidize and leach out. Repeated applications accumulate.
Does not leach Repeated application accumulate.
Efficacy depends on the cation exchange capacity of the host material. Repeated applications accumulate.
Comments A high fines content may become slippery when wet. Corrosion problems may result.
Generally ineffective if wearing course contains little fine material or there is excessive loose gravel on the road.
Long lasting – more effective in dry climates.
Generally ineffective if material is low in fines content or where loose gravel exists on surface. Curing period required.
Notes
1 Plasticity Index
2 California Bearing Ratio (%)
3 Plasticity Index
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beneficio ganado por utilizar atenuadores de polvos. En superficies de caminos con mucha grava, paliativos para polvo parecen no trabajar eficazmente, especialmente más cuando una técnica de rociado se utiliza en lugar de una mezcla en el sitio.
Los atenuadores no ayudan a la compactación de la superficie esto debido a la pobre clasificación de tamaños, tampoco formarán una nueva superficie estable. Una nueva área superficial es creada por el material no tratado expuesto, mientras que con una aplicación de mezcla y una pobre compactación originará que la capa se dañe y desmorone la capa de rodado; el tráfico induce a la ruptura del material y la eventual generación de polvo. Con respecto a paliativos solubles con agua, una rápida lixiviación puede ser problemática. En todos los casos, es importante determinar si el paliativo puede ser aplicado con agua de mina (altos TDS y/o sales), o si agua potable es requerida (como sería el caso de algunos de emulsión bituminosa donde la sal „quebraría‟ la emulsión).
En suelos de arena compactada, polímeros, acrilamida y los productos en emulsión de alquitrán de base bituminosa parecen ser efectivos donde la lixiviación de los productos solubles en agua podría ser problemático. Sin embargo, en zonas sueltas y de arena fina, la capacidad de soporte no será adecuada para muchos de los productos para mantener una superficie nueva y la degradación ocurrirá rápidamente. En superficies con mucho sedimentos, es poco probable que un programa de supresión de polvo sea efectivo. Sedimentos en exceso o fracciones de arena pueden producir un camino resbaloso, mientras que la pobre capacidad de soporte lleva al camino al deterioro y se tendrá la necesidad de dar rehabilitación constante y dar un excesivo mantenimiento, por lo cual se destruye la mayoría de los productos aplicados a la capa. Baches de pequeña escala se han observado en un sin número de caminos después de la aplicación o re-aplicación del paliativo rociado, como resultado de que el tráfico levanta material fino cohesivo del camino. Nuevamente, donde no hay una acumulación profunda del tratamiento, esto llevara a la creación de nuevas áreas de superficies sin tratamiento.
En general, aplicaciones de rociado no parecen ser apropiadas para el establecimiento de los tratamientos para controlar la emisión de polvo, especialmente en relación con la profundidad de los
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tratamientos requerida. Una re-aplicación del rociado o rejuvenecimiento podría ser más apropiado, pero sólo si se puede asegurar la penetración del producto entre las capas del camino, de otro modo sólo servirá para tratar materiales sueltos o acumulación de derrames, el cual se quebrará rápidamente y creará nuevas superficies no tratadas, y la formación de capas puede ocurrir, (como se muestra arriba) la acumulación de finos tratados sobre la superficie lleva a la formación de superficies suaves y resbalosas desprovisto de cualquiera de los agregados originales en la capa de rodamiento. Un tratamiento rociado es sin embargo útil para suprimir las emisiones de polvo de los lados del camino que no son transitados, debido a que sería más fácil (y más barato) aplicar y, con el material que por lo general no está compactado, proporcionaría alguna profundidad de penetración y una reducción en las emisiones de polvo por la turbulencia inducida por los camiones.
Para supresores de polvo basado en químicos, el grado promedio de paliación de polvo y el período sobre el que es aplicado puede ser considerablemente mejor que el alcanzado por el rociado que es basado en agua.
Sin embargo, en términos de la eficacia y de costo, se requiere una evaluación con la que se pueda determinar la medida de los beneficios económicos atribuibles a la supresión de polvo basado en químicos, junto con una indicación de estos factores que probablemente alterarán el intercambio entre el agua – y paliación de polvo químico. Un enfoque típico se muestra aquí en la figura siguiente.
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Locality Data
Equipment Data
Water Data
Determine Cost of Establishment
Determine Cost of Water-based
Spraying
Summarise Annual Costs (Application and Road Maintenance)
Method selection
Cost ($/kilo-liter) and application
rates (l/m2)
Road, Climate, Wearing course parameters
Hours per day of dust control required
Productivity and operating costs of road (re)-construction, maintenance and (spraying) equipment
Palliative Data
Cost ($/litre) and application rates
(establishment and rejuvenation)
Determine Cost of Rejuvenation (re-
application) and Interval
Determine Wearing Course
Maintenance Interval and Cost with
Palliative Applied
Determine Wearing Course
Maintenance Interval and Cost with
Water-based Spraying
Set Maximum Dust Defect Allowable
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7 MANTENIMIENTO DE LOS
CAMINOS DE TRANSPORTE Y
SU EVALUACIÓN DE
RENDIMIENTO
Introducción al Mantenimiento
Los costos de diseño y construcción para la mayoría de los caminos de transporte representan sólo una pequeña porción de los costos totales de operación y mantenimiento de los caminos. El uso de una apropiada estrategia de mantenimiento y
administración tiene el potencial de generar ahorros significativos – particularmente a la luz del incremento en la resistencia al rodado debido a los efectos de interacción del volumen de tráfico y la deterioración de la carpeta de rodamiento. Con el uso de camiones grandes, es inevitable que ocurra alguna deterioración o daño al camino, y estos daños deban ser arreglados regularmente. Mientras mejor sea construido el camino, el deterioro de este será más lento y en consecuencia requerirá menor mantenimiento (a menudo en detrimento de otros caminos en la red).
La administración y planeación (programación) del mantenimiento de los caminos de transporte no ha sido reportado ampliamente en la literatura, primariamente debido a la naturaleza subjetiva de la
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experiencia de los operadores y los niveles requeridos de funcionalidad del camino. En la mayoría de los casos, los comentarios son limitados a las diferentes funciones que comprenden el mantenimiento, en lugar de administrar el mantenimiento y minimizar los costos totales. Algunas reglas implican una adecuada utilidad (funcionalidad) que pueda ser lograda con el uso de una moto niveladora (y camión cisterna) por cada 45 000 tkm de transporte diario.
La División de Tecnología de Salud y Seguridad del Departamento de Minas y Minerales de los Estados Unidos, en su informe sobre peligros en la seguridad de los caminos de transporte de mina confirma estas especificaciones, pero sin una clara declaración de lo que comprenden las actividades de mantenimiento.
Otro enfoque incluye el raspado del camino después que hayan pasado 90 camiones (basado en camiones ultra-class RDT). Lo que es claro de esto es que el rendimiento varía significativamente, así mismo como los tipos de materiales que conforman la carpeta de rodamiento. Esto último tendrá un efecto mayor con respecto a cuando la intervención de un mantenimiento sea programada.
¿Qué es exactamente “mantenimiento de caminos”? Hay varias actividades clave que abarcan el mantenimiento de caminos, desde un mantenimiento de caminos rutinario (raspado o clasificación), hasta la repavimentación, rehabilitación y mejoramiento, como se define abajo;
Modo Actividad Efecto
Rutina de Mantenimiento
Parte a re-engravar Rellenar baches, depresiones y excluir el agua
Mantenimiento del drenaje y borde
Reducir erosión y perdida de materiales, mejora del drenaje en el borde del camino
Arrastre/Rastrear Redistribución de la grave sobre la superficie
Nivelación superficial con
cuchilla
Rellenar depresiones menores, baches y
reducción de la resistencia al rodado
Control de polvos/Humedecimiento
Reducción de la perdida de binder? y de la generación de polvos
Resurfacing Re-engravar totalmente Restaura el espesor de la capa de rodamiento
Nivelación profunda Re-perfila el camino y reduce la aspereza. Re-mezcla el material de la capa de rodamiento.
Rehabilitación Rasgar, re-engravar, re-
compacta
Mejora, refuerza o salva pavimentos
deficientes.
Mejoramiento Rehabilitación y mejoramiento geométrico
Mejora el alineamiento geométrico y su Resistencia estructural.
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Este capítulo está limitado a discutir los conceptos de la rutina de mantenimiento de los caminos y los sistemas de administración asociados que se muestran en la tabla siguiente:
Sistema Descripción
Raspado o
nivelado Ad-hoc
Administración de mantenimiento reactivo en respuesta a la pobre
funcionalidad del camino de transporte. Típicamente administrado con inspecciones diarias a la red de caminos y una evaluación subjetiva de la funcionalidad de los segmentos de camino y sus prioridades de
mantenimiento.
Programación de raspado
La red de caminos es mantenido de acuerdo con programa o frecuencia ya fijado, independientemente de la funcionalidad actual del segmento de camino en que se está trabajando.
Mantenimiento
Gestionado (MMS-Managed Maintenance)
La red de caminos es analizada para determinar su índice de deterioro
funcional por segmentos individuales, basado en el deterioro de la resistencia al rodamiento, volumen de tráfico, etc. y una frecuencia determinada de raspado de segmentos para minimizar los costos totales por segmento, toda
la red y lo usuarios.
Independientemente del sistema de administración de mantenimiento utilizado, hay algunos elementos clave de la “buena práctica” que deben de ser observados en la rutina de mantenimiento de los caminos de mina, estos se enumeran a continuación en una auditoria de las actividades del mantenimiento de rutina.
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Antes de introducir a la administración del mantenimiento de caminos, vale la pena considerar el porqué el mantenimiento es llevado a cabo en primer lugar: es su propósito principal restaurar el camino a sus especificaciones originales de operación, por ejemplo para conservar la integridad de la carpeta de rodamiento de la carretera retornando o redistribuyendo la superficie de grava. En la
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mayoría de los casos, esto mejorará un camino y reducirá su resistencia al rodamiento a un mínimo más aceptable, que es entre 2-2.5%. Que tan rápido se deteriora nuevamente (incremento en la resistencia al rodado) dictará cuando serán necesarias las actividades de mantenimiento. Con demasiada frecuencia, el mantenimiento de los caminos es llevado a cabo con poco reconocimiento de:
Dónde se realizó el mantenimiento (que segmento del camino de la red); y
Qué se llevo a cabo (raspado, arrastrado, rasgado poco profundo y re-clasificación, etc.)
Es muy importante el mantener registro de dónde y qué se realizó, debido a que esta información nos puede decir si un camino tiene un buen desempeño, y si no, cuál es el problema. El enfoque es similar a un Análisis de Causa Raíz (RCA-Root Cause Analysis) – asegúrese de identificar por qué un segmento de camino requiere de mantenimiento intensivo antes de decidir qué hacer al respecto.
Por ejemplo, los defectos mostrados en esta figura – un área bastante grande de hundimientos o de baches en el camino. Ninguna cantidad de raspado y clasificación “arreglará” esta carretera debido, como se explicó anteriormente, estos problemas indican que
la falla se encuentra a más profundidad en las capas base del camino y simplemente cortar-arrastrar-dejar el material en la depresión no erradicará el problema de raíz. Una vez que se ha reconocido la causa raíz (fallo estructural), se puede planear como arreglar el problema correctamente (retirar las capas suaves y rellenar la capa base con material seleccionado compactado, re-establecer la carpeta de rodamiento y compactar).
Análisis de la Causa Raíz (RCA) en el Mantenimiento de Caminos
Cuando un camino se raspa y nivela con una moto niveladora, siempre aplique agua antes de raspar, esto asistirá en la creación
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de un buen terminado del camino y prevendrá la mala interpretación de cualquier daño en el camino. No pocos ejemplos son mostrados aquí para ayudar en la “lectura o interpretación” del camino y determinar la causa raíz tanto de un rendimiento inferior o frecuentes intervenciones de mantenimiento en los segmentos del camino.
Claramente, hay bastante material suelto, no compactado sobre el camino como se muestra en la Figura. Pero también considere la geometría aquí – observe como el cruce esta en pendiente. Muchos de estos problemas aquí están asociados con el punto de partida de los
camiones cargados en una pendiente y el elevado grado de torque que ejercen los neumáticos que cizallan la capa de rodamiento.
La causa raíz en ambos casos es la misma carpeta de rodamiento y aquí la geometría es la causa más probable – la corona o cresta de la carretera es inexistente. Pero también considere la estructura – tal vez un punto suave en la parte inferior del camino ha
tenido como resultado ésta deformación. Si éste es el caso (y si la prueba DCP lo pueden confirmar), sería necesario remover las partes suaves, rellene con roca quebrada seleccionada, compacte y restablezca la capa de rodado.
Aquí dos aparentes problemas que son, primero, las huellas de neumáticos sobre el camino indican ya sea que el material de la carpeta de rodamiento ha sido pobremente compactado o, en su estado compactado no
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alcanza el requerimiento mínimo de 80CBR.
El borde de la carretera está en malas condiciones. Puede ser resuelto
simplemente moviendo los marcadores de los límites del camino hasta el borde de la carretera construida – si la anchura operacional del
camión lo permite. Cortando, acumulando y vaciando material de la capa de rodamiento sobre esta área, ¿se resolverá el problema? Poco probable – aquí la causa primordial es que el material fue construido para camiones más pequeños y ahora se utilizan camiones más grandes, los marcadores de los límites de la carretera han sido movidos para acomodar cuatro veces la anchura del camión más grande. Pero – la anchura de la construcción no se extiende tanto, entonces fallará en el borde. Para arreglar este problema, la mina tendría que excavar la longitud total del borde de la carretera hacia abajo hasta la capa in-situ y rellenar con una capa de material base de tal modo que proporcione protección al in-situ de las cargas aplicadas por los neumáticos.
Recuerde, un RCA (Root Cause Analysis) para “fallas” de los caminos de mina es tan válido como si fuera para cualquier otro activo. Un excesivo mantenimiento en segmentos con pobre rendimiento dentro de la red de caminos es síntoma de un problema subyacente en el diseño. Cuando “leemos” el camino, trabaje cada componente del diseño y cuestione si la composición es correcta o no, antes de moverse al siguiente paso. En esa forma, la causa primordial del bajo rendimiento puede ser aislado y las soluciones apropiadas pueden ser planeadas, programadas e implementadas.
Sistemas de Administración del Mantenimiento de Caminos de Transporte
Reducción al Mínimo de los Costos a Través de la Red
de Caminos
Se pueden aplicar varios métodos de mantenimiento de caminos dependiendo en el tipo de mina y la complejidad de la operación. Sin embargo idealmente, los costos del uso del camino necesitan ser reducidos al mínimo y el rendimiento de la carretera incrementado al máximo, y es mejor tener un enfoque sistemático
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de la administración del mantenimiento de caminos. A esto se refiere como Sistema de Administración de Mantenimiento (MMS-Maintenance Management System) y a través del análisis de que tan rápido se deteriorán los caminos bajo las acciones del tráfico, cómo esto afecta los costos operativos del vehículo, y cuánto cuesta mantener el camino (ambos costos son seguidos por la mina), y se puede encontrar una frecuencia óptima de mantenimiento.
Utilizando un sistema ad-hoc o incluso una rutina basada en el sistema de administración de mantenimiento no cumplirá que se obtengan los costos mínimos totales. Este concepto se muestra en la figura, donde los costos totales de los usuarios de los caminos abarcan costos operativos de los vehículos (VOC - vehicle operating costs) y el equipo utilizado en el mantenimiento y los costos de aplicación. La clave para reducir al mínimo los costos a través de la red de los segmentos de caminos en una mina es determinar cuales son los segmentos que tienen la mayor influencia en el costo por tonelada transportada.
Son estos segmentos (invariablemente rampas y trayectos planos y largos de transporte) que deben de tener prioridad en cualquier sistema de mantenimiento – debido a que la pequeña reducción en la resistencia al rodaje tendrá mayor influencia en la reducción de costos por tonelada transportada a
Maintenance frequency
Rolling resistance
Max
Min
Minimum total
cost solution
Max
Min
Costs
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través de la red. Los intervalos del mantenimiento de los caminos de transporte de las minas están estrechamente relacionados con los volúmenes de tráfico, los operadores elijerán abstenerse del mantenimiento en unas secciones a favor de otras.
Esto implica un reconocimiento implícito de la necesidad de optimizar los limitados recursos de mantenimiento de caminos para proveer el mayor beneficio total. Este enfoque de optimización es inherente en la estructura de la
administración del sistema de mantenimiento (MMS-maintenance management system) para caminos de transporte de minas. Dos elementos forman la base de la evaluación económica, es decir:
Rendimiento funcional del pavimento – modelo de la deterioración de la resistencia al rodado; y
Modelos de costos de operación de vehículos y mantenimiento de caminos.
El MMS (Maintenance Management System) está diseñado para una red de caminos de transporte de una mina, en lugar de un análisis individual del camino. Para varios segmentos del camino con diferentes materiales de la capa de rodamiento, las características del volumen de tráfico, la velocidad y la geometría (grado de inclinación y ancho), junto con las especificaciones del mantenimiento del camino establecidas por el usuario del camino y el costo unitario del costo de operación de vehículo (VOC - vehicle operating costs), el enfoque MMS puede ser utilizado para determinar:
El cambio en la resistencia al rodado del camino con respecto al tiempo y tráfico;
Las cantidades de mantenimiento que son requeridas, según la estrategia de mantenimiento en particular;
Los costos operativos de los vehículos y del mantenimiento de los caminos; y
La frecuencia óptima de mantenimiento para segmentos de la red, de tal forma que los costos del usuario de los caminos sean reducidos al mínimo.
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Este enfoque es representado en el diagrama de flujo. El ahorro en costos asociados con la adopción de un enfoque de sistema de
administración del
mantenimiento son
dependientes en particular de la operación de transporte, de los tipos de vehículos, de la geometría de los caminos y los tonelajes transportados, etc.
Costo de Operación de Vehículos y Resistencia al
Rodado en MMS
El primer elemento de un MMS (Maintenance Management System) para un camino de transporte de mina está basado en la modelación de la variación de los costos de operación de vehículos con resistencia al rodado. Cuando se combinan con el modelo de costos de mantenimiento de caminos, puede ser identificada, la estrategia óptima de mantenimiento para una red específica de caminos de transporte, adecuada al costo menor total del mantenimiento de vehículos y del mantenimiento de los caminos.
Modelo de Costos de Operación de Vehículos (VOC)
El modelo de costos de operación de vehículos se refiere al costo incrementado en la operación del camión con respecto a los cambios en la resistencia al rodado. El modelo de costos debe considerar el efecto en el aumento de la resistencia al rodado con relación al consumo de combustible, neumáticos y
mantenimiento del vehículo. Sin embargo, se puede determinar una aproximación razonable solamente utilizando el consumo de combustible.
Truck Operating CostsOpen pit mining 250kt/day 500m depth
Fuel
Repair
Operator
Tyres
Wear
Owning
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La variación en la predicción del consumo de combustible con resistencia al rodamiento implica la simulación con específicos camiones de transporte para generar un modelo con diferentes velocidades y caminos con diferentes grados de inclinación. El modelo de velocidad forma la base del modelo de consumo de combustible, derivado de las simulaciones de vehículos junto con el torque del motor del vehículo (o porcentaje a toda aceleración) y mapas de consumo de combustible.
Modelo de Costos de Mantenimiento de Carreteras
El costo de mantenimiento de caminos por kilómetro comprende costos de operación de motoniveladora y camión cisterna. Aunque no contribuye directamente a la reducción de la resistencia al rodado, la incorporación de los costos de riego en el modelo de costos de mantenimiento refleja (el ideal) la práctica operativa en la cual, inmediatamente antes de raspar o nivelar, la sección de la carretera es regada para reducir el polvo, la erosión y ayudar al raspado y a la re-compactación.
Las productividades de la motoniveladora y el camión cisterna de 0.75 y 6.25km de distancia mantenida en el camino por hora operativa por cada máquina, respectivamente, es típico y se correlaciona con las figuras publicadas entre distancias de 8-18km de mantenimiento por 16 horas al día. Sin embargo, así como las condiciones de los caminos de transporte se deterioran, el mantenimiento toma más tiempo y el número de pasadas requeridas con la hoja de la motoniveladora para obtener un terminado aceptable, cuando la “aspereza” del camino excede aproximadamente 3% de la resistencia al rodado.
El modelo de costos de mantenimiento de caminos es por lo tanto construido de la consideración del ancho promedio de la hoja por cada pasada, el ancho del camino, RDS antes del raspado, la curva de productividad del motor del gradiente de la motoniveladora y los costos por hora de los cuales se obtiene el costo de motor de la motoniveladora por kilómetro. Este costo es entonces combinado con los costos por kilómetro del camión cisterna y los costos del taller para obtener el costo total por kilómetro de mantenimiento de camino.
Ejemplo de la Aplicación MMS
Usando un ejemplo para ilustrar el uso del MMS (Maintenance Management System), aplicado a una típica red de caminos de transporte de mina en superficie. Aquí se muestran los datos genéricos.
Datos específicos a cada uno de los 5 segmentos de una red de caminos de transporte de una mina se muestran debajo. Un segmento es definido donde uno o más de los parámetros del
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modelo varían, resultando en una ligera diferencia en la estructura de costos o en el rendimiento de un segmento de camino. Nota: en la tabla, un significante número de valores son utilizados fuera de especificación. Como se verá, una vez que se han establecido los costos del bajo rendimiento, se pueden priorizar las acciones administrativas para devolver nuevamente los caminos en condiciones criticas a sus especificaciones requeridas mediante la rehabilitación.
Segments specific data B02 B03 B04 B05 S RAMP
Road length (km) 2600 2300 1800 1100 1240 Width (m) 35 35 35 35 40 Grade (%, uphill +ve) 0 0 0 0 4.5
Speed (km/h) 45 40 35 30 25 Daily tonnage (kt) 20.4 20.4 25.5 30.6 100.3 Material type (1=mix) 1 0 0 0 1
Shrinkage product 189 243 243 243 180 Grading coefficient 20 15 15 15 28 Dust ratio 0.57 0.50 0.50 0.50 0.64
Plasticity index 8 14 14 14 8 CBR (%) 100% Mod AASHTO
44 38 38 38 59
Mediante el modelado del porcentaje del cambio en la resistencia al rodamiento con el tiempo (ejemplo volúmenes de tráfico) por cada uno de los segmentos de camino, se puede encontrar el costo total menor de los costos por usuario del camino. Únicamente cuando son combinadas, la combinación del mantenimiento de la carretera y el costo operativo de vehiculo (VOC - vehicle operating costs) - el “costo total del usuario del camino” – podemos determinar el enfoque más eficaz de mantenimiento de caminos.
MMS Model: Generic data for all haul road segments
Truck GVM (t) 324 Truck UVM (t) 147 Drive type 1
Replacement cost (Rm) 19 Average age (khrs) 40 Grader fleet 6
Grading hours/day 19 Grader Op cost (R/hr) 370 Water car fleet 3
Watering hours/day 19 Water car op cost (R/hr) 510 Tyre cost (R) 204 000
Fuel cost (R/l) 6,26
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La figura muestra la
consecuencia en el costo
(como porcentaje en el costo total del usuario del
camino) asociada con un alto o bajo
mantenimiento de los
segmentos. Nota como el costo total del usuario del camino incrementa cuando los segmentos B03-B05 son sobre-mantenidos – solamente se deben de mantener estos segmentos en intervalos de 3 días – si es más frecuente que eso se incurrirá en costos excesivos en el mantenimiento de los caminos. Note también como el costo de usuario de la carretera incrementa cuando el segmento SRampa no es mantenido todos los días - al retrasar el mantenimiento de la SRampa a cada 2 días, como consecuencia se tiene un aumento del 5% en el costo incurrido inmediato.
La figura muestra la importancia del establecimiento de las características de rendimiento del camino debido a que es una base para las decisiones en la administración del mantenimiento – en este caso, es baja la disponibilidad de la motoniveladora, tendría más sentido económico el abstenerse del mantenimiento en los segmentos B03-B05 debido a que el incremento en los costos asociada con el mantenimiento sub-óptimo es mucho menor en esos segmentos.
El ahorro en los costos asociados con la adopción de un enfoque de administración de mantenimiento son dependientes en particular de la operación de transporte, tipos de vehículos, geometría del camino y tonelajes transportados, etc. En términos del cambio en los costos totales por día, incrementos significativos en los costos son asociados con el sobre y bajo mantenimiento de una red de caminos de una mina de alto tonelaje.
Lo que si es, sin embargo, genérico al análisis MMS (Maintenance Management System) para una red de caminos es que para reducir los costos en todos los ámbitos, el rendimiento de la carretera necesita ser maximizado. Esto es logrado mejor por medio de un enfoque de diseño integrado, donde componentes del diseño geométrico, estructurales y funcionales contribuyen a un camino que solo tiene un ritmo de deterioración lenta, por lo tanto la resistencia al rodado (y por lo tanto el VOC - vehicle operating costs) no se incrementa substancialmente y los intervalos de
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25
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35
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Days between maintenance
Percentage increase in total road-user costs with maintenance interval
B02 B03 B04
B05 S Ramp
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mantenimiento pueden ser extendidos sin tener significantes incremento en los costos.
Evaluación Comparativa de la Resistencia al Rodado y el Rendimiento Funcional
Evaluación de la Resistencia al Rodado
Con el fin de tomar decisiones informadas sobre el mantenimiento de caminos, algunas bases de comparación deben ser establecidas con las que se compararán los segmentos del camino a través de la red. Esta comparación está basada en los defectos funcionales descritos anteriormente, y - como se mencionó - es posible igualar los defectos funcionales con la resistencia al rodado - por lo tanto, la condición de una carretera tiene un efecto directo sobre la resistencia al rodado.
Aquí se presentan dos diferentes enfoques, el primero basado en un modelo predictivo de deterioro de los caminos que utilizan los camiones de transporte, el tráfico y los materiales utilizado en la capa de rodamiento son los parámetros utilizados para evaluar los cambios resistencia al rodado con el tiempo, y el segundo método es una evaluación visual cualitativa, basada en la misma metodología pero simplificada en términos de las calificaciones de los “defectos” esta metodología es utilizada para evaluar las condiciones actuales del camino.
1. Modelando los Cambios en la Resistencia al Rodamiento Con el Tiempo
La resistencia al rodamiento de un camino de transporte esta primordialmente relacionado con el material utilizado en la carpeta de rodado, sus propiedades mecánicas, la velocidad y el volumen de tráfico en el camino. Estos son dictados, en gran medida, por una tasa de incremento en la resistencia al rodado (RR). Idealmente, la resistencia al rodado de un camino no se debe incrementar rápidamente – lo que implica que esos defectos en el camino que aumentan la resistencia al rodado deben ser reducidos al mínimo. Esto puede ser logrado por medio de la selección cuidadosa del material de la carpeta de rodamiento el cual reducirá, más no eliminará, los incrementos en la resistencia al rodado con el tiempo (o el volumen de tráfico).
Para estimar la RR a un punto en el tiempo, es requerido obtener un estimado de la calificación del defecto de aspereza (CDA), y esto puede ser determinado de un estimado inicial de las calificaciones mínimas y máximas de los defectos de aspereza (CDAMIN, CDAMAX), juntos con la tasa de incremento (CDAI). La resistencia al rodado en un punto en el tiempo (D días después del
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mantenimiento de la carretera) es entonces estimada de un valor mínimo (RRMIN) y la tasa de incremento asociada.
Las ecuaciones que se dan abajo, junto con los parámetros y las variables definidas en la Tabla que sigue. Cuando se utilizan estas ecuaciones, se debe tener cuidado para asegurar que los límites de los parámetros sean comparables con los valores usados en la investigación original.
exp) (CDAI
+1
CDAMIN - CDAMAX + CDAMIN = CDA
Donde;
0,0152.CBR - 0,05354.SP - 31,1919 = CDAMIN
MIN0,4952.CDA + 0,3133.GC + 0,4214.KT + 7,6415 = CDAMAX
1,67.SP) + 9,35.GC - 2,59.CBR - 72,75.PI - 69.KT0,001.D(2, + 1,768 = CDAI
en
)(exp. RRICDARRMINRR
Donde;
).0028,08166,1(exp VRRMIN
VCDARRI .0061,0.00385,0068,6
Variables
Parámetros
Variables definidas
CDA Roughness defect score
CDAMIN Minimum roughness defect score immediately following last maintenance
cycle
CDAMAX Maximum roughness defect score
CDAI Rate of roughness defect score increase
RR Rolling resistance (N/kg)
RRMIN Minimum rolling resistance at (RDS) = 0
RRI Rate of increase in rolling resistance from RRMIN
Variable Description
V Vehicle speed (km/h)
D Days since last road maintenance
KT Average daily tonnage hauled (kt)
PI Plasticity index
CBR 100% Mod. California Bearing Ratio of wearing course material
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La figura muestra un estimado típico de la resistencia al rodado (se da aquí como N/kg, entonces multiplicarlo por 9.81 para dar la resistencia al rodado en porcentaje) utilizando las ecuaciones de arriba y los datos en la figura. También compara los estimados por el modelo con los valores actuales de la resistencia al rodado determinados en ese lugar.
2. Evaluaciones Cualitativas de la Resistencia al Rodamiento
La resistencia al rodamiento también puede ser estimada de una evaluación visual cualitativa. Un sistema de la clasificación de los defectos de la carretera puede ser aplicado en el cual se identifican los defectos claves que influencian la resistencia al rodado y el producto del grado de defecto (medido en una escala de 1-5) y la extensión (medido en una escala de 1-5) son los resultados para cada uno de éstos defectos utilizando las tablas presentadas abajo. La suma de los resultados individuales de los defectos calificados (equivalente a la RDS discutida anteriormente) pueden convertirse utilizando la tabla de puntuación y la figura para dar una resistencia al rodado del segmento del camino de transporte que está siendo considerado.
El método de evaluación está basado en una valoración visual de un “grado” de defecto (ejemplo, que tan malo) y el “alcance” (ejemplo, que tanto) del camino que ha sido afectado. Los defectos
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que se consideran y tienen mayor influencia en la resistencia al rodado de los caminos de transporte de una mina son:
baches
corrugaciones
surcos
material suelto; y
pedregoso – fijada (en la carpeta de rodamiento).
Para “calificar” estos defectos en términos de grado o alcance, se pueden utilizar las siguientes descripciones, o los siguientes equivalencias visuales (solo grado de defecto 1, 3 y 5 dados en la figura).
Donde el defecto no es evidente en el camino, es calificado con un grado de defecto 1 y un alcance de 1.
La página de calificaciones en la figura es utilizada, en conjunto con la gráfica, para convertir CDA a Resistencia al Rodado (RR%) utilizando la línea que representa la velocidad de los vehículos en el camino (de 10 a 50 km/h en incrementos de 10 km/h).
Description of defect extent or degree
Extent
Score
1 2 3 4 5
Extent
Isolated
occurrence, less
than 5% of road
affected.
Intermittent
occurrence,
between 5-15%
of road affected.
Regular
occurrence,
between 16-
30% of road
affected.
Frequent
occurrence,
between 31-
60% of road
affected.
Extensive
occurrence, more
than 60% of the
road affected.
Defect
degree
score
1 2 3 4 5
Potholes
Surface pock
marked ,holes
are < 50mm
diameter.
Potholes 50-
100mm
diameter.
Potholes 100-
400mm
diameter and
influence riding
quality.
Potholes 400-
800mm
diameter,
influence riding
quality and
obviously
avoided by most vehicles.
Potholes >800mm
diameter,
influence riding
quality and require
speed reduction or
total avoidance.
Corrugation
Slight
corrugation,
difficult to feel
in light vehicle.
Corrugation
present and
noticeable in
light vehicle.
Corrugation very
visible and
reduce riding
quality
noticeably.
Corrugation
noticeable in
haul truck and
causing driver to
reduce speed.
Corrugation
noticeable in haul
truck and causing
driver to reduce
speed
significantly.
Rutting
Difficult to
discern unaided,
< 20mm.
Just discernable
with eye, 20-
50mm.
Discernable, 50-
80mm.
Obvious from
moving vehicle,
>80mm.
Severe, affects
direction stability
of vehicle.
Loose
material
Very little loose material on
road, <5mm
depth.
Small amount of loose material
on road to a
depth of 5-
10mm.
Loose material present on road
to a depth of 10-
20mm.
Significant loose material on road
to a depth of 20-
40mm.
Loose material, depth >40mm.
Stoniness -
fixed in
wearing
course
Some
protruding
stones, but
barely felt or
heard when
travelling in light vehicle.
Protruding
stones felt and
heard in light
vehicle.
Protruding
stones influence
riding quality in
light vehicle but
still acceptable.
Protruding
stones
occasionally
require evasive
action of light
vehicle.
Protruding stones
require evasive
action of haul
truck.
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En esta figura, los baches que se ven en el camino por lo general calificarían con un “grado” de 5 y un “alcance” de 2, dando una calificación individual por defecto de bache de (2x5) =10.
En esta figura, los baches que se ven en el camino por lo general calificarían con un “grado” de 2 y un “alcance” de 5, dando una calificación individual por defecto de bache de (5x2) =10.
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Evaluación del Rendimiento Funcional
El enfoque que se define arriba puede ser extendido para cubrir todos los defectos que se experimentan en el camino, para evaluar la funcionalidad de un camino en un punto en el tiempo. La página de registros que se muestra abajo puede ser utilizada para evaluar un “puntaje de defecto funcional” (PDF) desde un valor mínimo de 12 hasta un valor máximo de 300.
Cada mina en particular necesitará establecer puntajes específicos de intervención de mantenimiento (*) en el que algunas actividades de mantenimiento son provocadas cuando son excedido. En la tabla abajo, se dan los valores típicos y son como sigue:
El mantenimiento de los caminos es recomendado si:
o Cualquier singular defecto funcional crítico excede los límites; o
o La puntuación total del defecto funcional (DS) ≥*140.
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El mantenimiento inminente de la carretera, pero todavía transitable cuando *65≤DS≤*139.
Camino en buenas condiciones, el mantenimiento no es necesario inmediatamente cuando DS≤*64.
La decisión de mantener o no mantener el camino no sólo está basada en el DS total, pero también en la puntuación individual de defectos críticos (#), debido a que éstos por lo general afectan adversamente la seguridad y la habilidad de ser transitado. Estos defectos individuales críticos son por lo general corrugaciones, material suelto, material pedregoso fijo, exposición al polvo y resistencia al deslizamiento en seco y en mojado, cada uno tiene un límite de defecto funcional el cual debe ser considerado además del DS total. Los valores que se utilizan aquí son específicos para cada sitio y sus condiciones de operación. Debido a que la funcionalidad y el rendimiento del camino son por lo general influenciados por el drenaje y la erosión, es útil el también comentar en éstos dos aspectos – drenaje inferior y/o erosión excesiva en el camino por lo normal provocaría alguna actividad de mantenimiento en estos mismos.
Los primeros 5 defectos son calificados como se describe en la sección previa de resistencia al rodado, utilizando la evaluación visual provista. El puntaje para los defectos extras que han sido considerados desde una perspectiva de funcionalidad se dan en la figura siguiente.
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E
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LU
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ND
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Otro enfoque es de evaluar la funcionalidad de acuerdo con la tabla en la figura dada aquí. El criterio de la aceptabilidad del rendimiento funcional (límites para, deseados, no deseados y no aceptados) deben ser basados en la
experiencia de la operación de su mina – valores promedio para varias minas son mostrados aquí – pero la mayoría operan en ambientes secos y templados. Utilizando esta tabla diariamente, será útil para registrar como un camino se deteriora con el tiempo – un camino siempre regresa valores en el sector en rojo es probablemente un buen candidato para recibir rehabilitación. Si su segmento de camino siempre obtiene puntajes en los sectores rojos y amarillos – incluso a pesar de las frecuentes intervenciones del mantenimiento – entonces vale la pena re-evaluar el diseño funcional de la carpeta de rodamiento y posiblemente incluso los diseños estructurales y/o geométricos – debido al bajo rendimiento no es en sí mismo un indicativo de mala mantención – más bien una deficiencia subyacente en el diseño.
También puede ser útil utilizar este concepto en la planeación del mantenimiento de los caminos de uso diario. Si los caminos son evaluados al comienzo del día de trabajo, pueden ser marcadas con conos rojos, amarillos o verdes para indicar cuales segmentos deben de tener prioridad (rojo) en el mantenimiento. Este enfoque es también útil para los operadores de los camiones – los ayudara a anticipar la condiciones (y el tráfico) del camino y por lo tanto operar los camiones de acuerdo a éstas.
En cualquier caso es importante conservar estos registros y evaluar como cada segmento cambia con respecto al tiempo y el tráfico, para poder identificar esos segmentos de camino de la red que tienen un bajo rendimiento continuamente, las razones para esto (utilizando los defectos típicos y para identificar la causa raíz) y por lo tanto la estrategia más apropiada para remediarlos.
0 5 10 15 20 25
Potholes
Corrugations
Rutting
Loose material
Dustiness
Stones -fixed
Stones -loose
Cracks -longitudinal
Cracks -slip
Cracks -crocodile
Skid resistance wet
Skid resistance dry
Haul road defect score
Defe
ct
Desirable
Undesirable
Unacceptable
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Bibliografía
Teniendo en cuenta los objetivos de este manual, y que para facilitar su lectura y la claridad de los conceptos, no se han utilizado citas en el texto, aunque el contenido se basa en gran medida en muchos de los colaboradores en este campo. El objetivo es presentar la información disponible en forma cotejada y de fácil lectura, en lugar de presentar conocimientos o conceptos nuevos sin probar. Las deficiencias o imprecisiones en las referencias de este trabajo son el resultado de la política utilizada, y no quiero dejar de agradecer a todos aquellos en cuyo conocimiento me he basado. Para ello, es posible que usted desee consultar la lista completa de los textos en los que se baso este trabajo y que constituyen la base de las directrices de diseño y construcción que se resumen aquí.
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