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Caracterización

C obre Las Cruces es una mina a cieloabierto que se localiza en Gerena,provincia de Sevilla y constituye ac-

tualmente el mayor proyecto minero de Euro-pa. La mina es propiedad de INMET y Leuca-dia, siendo explotada por INMET.

La Fig. 1incluye la localización geográficade la mina, así como el estado de la excava-ción a finales de julio de 2009.

Se trata de un yacimiento de sulfuros masi-vos que se engloba dentro de la gran provin-cia metalogenética de la Faja Pirítica del Suro-este de la Península Ibérica, del cual se explo-ta mineral de cobre secundario. La mineraliza-ción se encuentra encajada en rocas volcáni-cas, metamórficas y sedimentarias del Paleo-zoico, bajo un recubrimiento de sedimentosdel Terciario constituidos por unos 140 m dearcillas carbonatadas, cono-cidas como Margas Azulesdel Guadalquivir. Las reser-vas se han estimado en17,62 Mt de mineral con unaley de 6,21% de cobre. Ladimensión de la corta en sumayor desarrollo alcanzará1.600 metros de longitud endirección Este-Oeste, 900metros de anchura en direc-ción Norte-Sur y una profun-didad máxima de 250 me-tros.

Además en un futuro pró-ximo se prevé la explotaciónde una pequeña mina subte-rránea, en la cual, el mineralde cobre se explotará usan-do métodos de galería, relle-no y corte por subniveles.

Antes de alcanzar la mineralización, es ne-cesario realizar un pre-stripping de 120 a 150m del recubrimiento constituido por las arcillascarbonatadas, conocidas como Margas Azu-les del Guadalquivir (Ayala, F., 1978; Oteo, C.,1976; Tsige, M., 1999). Estas pertenecen a la

formación terciaria de origen marino del Torto-niense (Mioceno). Desde el punto de vista ge-omecánico, estas margas presentan una re-sistencia débil y parámetros deformacionalesexcepcionalmente bajos, así como una bajapermeabilidad a pesar de la presencia de dis-continuidades. En consecuencia, su compor-tamiento geotécnico anisótropo constituye unproblema en las obras que sobre estos mate-riales se desarrollan.

Por esta razón, desde la superficie hasta lacota de -150 msnm, el talud global posee unángulo medio de 28º, dividido gradualmenteen bancos de 10 m altura y 60º de inclinación,exceptuando los dos primeros, en los cualesse ha adoptado una inclinación de 45º.

Hasta el momento del presente trabajo, laprimera fase de excavación se ha finalizado,

mientras que la segunda,homotética respecto a la pri-mera, se encuentra al 50%.

Caracterización geotécnica de lasmargasA continuación se describenlos trabajos llevados a caboen cuestión de ensayos “insitu” y de laboratorio realiza-dos, tanto en el estudio geo-técnico de la corta mineracomo en la fase de segui-miento geotécnico de la ex-cavación, que han servidopara la caracterización geo-mecánica de las margas. Deesta forma se ha podido de-finir una zonificación geotéc-nica de éstas en diferentes

En el presente articulo se describen los trabajos llevados a cabo en cuestión de ensayos in situ y de laboratorio quehan servido para la caracterización geotécnica de las margas donde, además, se ha podido definir una zonificacióngeotécnica de éstas en diferentes niveles en profundidad. En segundo lugar, se realiza una comparación de los resultadosobtenidos en laboratorio entre las muestras procedentes de sondeos y las muestras talladas durante la excavación dela corta. En tercer lugar, se discute sobre la deformabilidad de las margas a partir de los resultados obtenidos de losensayos presiométricos. Finalmente, se expone el comportamiento post-rotura tipo strain-softening o reblandecimiento,observado en los ensayos de compresión simple con medida de la deformación tras la rotura.

Caracterización de detalle dede las margas azules del Guadalquivirmediante ensayos in situ y de laboratorio

Palabras clave: CORTA, COMPORTAMIENTOGEOTÉCNICO, DEFORMACIÓN, ENSAYOS,

MARGAS.

� J.M. GALERA (*); M. CHECA,C. PÉREZ, y B. WILLIAMS (**); y V. POZO (***)

(*) GEOCONTROL CHILE, S.A.(**) COBRE LAS CRUCES, S.A.

(***) GEOCONTROL, S.A.

� [Figura 1] .- Mapa de localización que muestra el modelo de elevacióndigital de la corta.

Para la fase de pre-stripping de la corta minera de Cobre Las Cruces (Sevilla)

18617

Caracterización

niveles en función de la evolución de su resis-tencia y deformabilidad en profundidad.

Ensayos de laboratorioPara llevar a cabo la zonificación geotécnicadel paquete margoso se ha realizado una in-tensiva campaña de ensayos geotécnicos queincluye 412 ensayos de laboratorio (tanto demuestras procedentes de sondeos como demuestras talladas durante la excavación de lacorta), así como 75 ensayos presiométricosen sondeos.

• Parámetros mineralógicosPara el conocimiento mineralógico y petrológi-co de las margas se dispone de 44 difraccio-nes de Rayos X y 154 determinaciones delcontenido en carbonatos.

La Fig. 2 muestra la distribución de los mi-nerales de la arcilla y el contenido en carbona-tos respecto a la profundidad.

Como se observa, el mineral arcilloso másabundante es la illita, con un contenido com-prendido entre 20% y 40%. La caolinita dismi-nuye en profundidad hasta llegar a desapare-cer a los 100 m, mientras que la presencia deesmectita aumenta a partir de esa profundi-dad. El contenido en carbonatos muestra unaelevada dispersión en los niveles más superfi-ciales, la cual debe estar relacionada con pro-cesos de meteorización, mientras que, en pro-fundidad, en general se mantiene un rango del15% al 30%.

• Parámetros petrofísicos y de estadoPara caracterizar los principales parámetros fí-sicos de las margas, se dispone de la siguien-te información:

- 352 determinaciones de densidad seca.- 115 determinaciones del peso específico

de las partículas sólidas.- 359 determinaciones de humedad.- 221 determinaciones del Índice de Plasti-

cidad.

La Fig. 3 muestra la evolución de estos pa-rámetros con la profundidad. Se observa quela densidad de las muestras talladas in situ esmayor que la obtenida en las muestras inalte-radas procedentes de sondeos. Como era deesperar, el contenido en agua es mayor en lasmuestras procedentes de sondeos, indicandouna pérdida de humedad en las margas con-forme se desarrolla la excavación.

Se observa un claro aumento de la densi-dad seca en los primeros 31 m de profundidad,si bien esta tendencia no se aprecia de los 31m a los 80 m de profundidad, es a partir deesta profundidad cuando se vuelve a observardicho incremento. Por su parte, la humedaddisminuye linealmente con la profundidad.

En la Fig. 4 se representa la plasticidad delos niveles margosos en la carta de plasticidadde Casagrande. Como se observa, las margas

se clasifican como arcillas y limos de alta plas-ticidad. Las muestras se sitúan de forma para-lela a la línea A lo que indica una génesis simi-lar, aunque no se observan variaciones signifi-cativas con la profundidad.

En la mayor parte de los casos la humedad

natural de las muestras es inferior a la hume-dad del límite plástico, de tal forma que lasmargas se encuentran en un estado sólido deelevada rigidez relativa.

En la Tabla I se resumen los principales pa-rámetros físicos de las margas.

� [Figura 2] .-Mineralogía ycontenido encarbonatos.

� [Figura 4] .-Carta deplasticidad.

� [Figura 3] .- Densidad seca, Peso específico de las partículas sólidas y contenido en Humedad.

� [TABLA I].-Principalesparámetrosfísicos enlas margas.

18618

• Resistencia a la compresión simpleLa determinación de la Resistencia a Com-presión Simple (RCS) resulta un parámetrobásico utilizado en los análisis de estabilidadde la corta. Para ello se dispone de 122 en-sayos realizados en la fase de Proyecto, an-tes de la excavación, y 106 realizados en lafase de seguimiento geotécnico.

La Fig. 5 muestra la evolución de laRCS con la profundidad, pudiéndosedestacar los siguientes aspectos:

- Los valores obtenidos en las mues-tras procedentes de sondeos soninferiores a los obtenidos en lasmuestras talladas in situ.

- Si bien se observa un cierto aumen-to de la resistencia con la profundi-dad los primeros 31 m, la dispersiónes elevada. En el tramo comprendi-do entre los 31 m y 80 m la disper-sión también es elevada, aunque eneste caso no se observa una ten-dencia creciente.

- A partir de los 80 m se observa un cla-ro aumento de la resistencia a com-presión simple con la profundidad.

- En el tramo comprendido entre los 115 my los 130 m existe una dispersión notablede los resultados, donde los valores deresistencia superiores sugieren un com-portamiento de roca blanda.

- Debe resaltarse la buena correlación exis-tente entre la resistencia a compresióncon el contenido en carbonatos.

Evolución de la deformabilidad delas margas con la profundidadEn este apartado se exponen los parámetrosdeformacionales obtenidos de los 178 ensayos

de laboratorio, con determinación del módulode elasticidad y coeficiente de Poisson, y de los75 ensayos presiométricos realizados en sonde-os. Todos los ensayos disponibles correspon-den tanto a la fase de Proyecto como a la fasede seguimiento geotécnico de la excavación.

La determinación de la deformabilidad delas margas es fundamental para los cálculosde estabilidad donde la rotura produce al su-perar cierta deformación crítica y se alcanzanpropiedades resistentes residuales.

La Fig. 6 muestra la distribución con la pro-fundidad de los valores obtenidos.

Se pueden deducir las siguientes con-clusiones:- Los módulos elásticos obtenidos a

partir de los ensayos a compresiónsimple en el Proyecto resultan inferio-res a los obtenidos en el seguimientogeotécnico a partir de muestras talla-das. Este fenómeno, ya comentadocon anterioridad, se observa tambiénen relación al parámetro RCS.

- Los módulos presiométricos obteni-dos en Proyecto en sondeos profun-dos resultan similares a los obtenidosen la fase de seguimiento en sondeossuperficiales. Del mismo modo, existeuna buena correlación entre los ensa-yos de laboratorio sobre muestras ta-ladas y los ensayos presiométricos, loque confirma la calidad de las mues-tras talladas y la pequeña influenciadel efecto escala en el paquete mar-goso.

- Se observa una clara tendencia del in-cremento del modulo de elasticidadcon la profundidad.

Por último, en la Fig. 7 se muestra gráfica-mente el rango de dispersión de los valores ylos valores de cálculo asignados a cada niveldel paquete margoso.

Zonificación geotécnica de lasmargas en profundidadAunque el paquete margoso resulta homogé-neo en apariencia, un análisis detallado permi-te definir, según su comportamiento geotécni-co, diferentes niveles en profundidad. De estaforma, el paquete margoso puede dividirse enlos siguientes tramos:

Caracterización

� [Figura 5].- Resistencia a Compresión Simple.

� [Figura 6].-Evolución delmódulo deelasticidad con laprofundidad.

[Figura 7].- Valoresde cálculo y rangode dispersión del

módulo deelasticidadrecicla

das en diferentespaíses (Fuente:

EAPA, 2006).

18620

Caracterización

. Además de la envuelta de los áridos, los as-pectos críticos en la ejecución de las obrascon estas mezclas son:

a) Margas Meteorizadas (MET): las mar-gas en los niveles superficiales se en-cuentran altamente meteorizadas. Aun-que inicialmente sólo se diferenciaron dosniveles, durante la excavación fue posibledistinguir tres:- MET-1, margas muy meteorizadas,

de tonalidad anaranjada y 10 m de es-pesor.

- MET-2, hasta los 23 m de profundidad.Se trata de margas azules que presen-tan signos apreciables de meteoriza-ción con presencia de grietas verticalesde desecación con espaciado métrico.

- MET-3, hasta los 31 m de profundi-dad. Se trata de margas con signosdébiles de meteorización en las cualeslas grietas de desecación aumentansu espaciado hasta la decena de me-tros. La distinción de este tercer tramoposee una índole descriptiva, ya quedesde el punto de vista geomecánicosus parámetros resistentes no difierende los del nivel MET-2.

b) Margas sanas: desde los 31 m de pro-fundidad no existen signos de meteoriza-ción y las margas muestran su caracterís-tico color gris azulado. Pueden subdividir-se en los siguientes tramos:- Nivel-1, marga blanda, desde los 31 a

los 80 m de profundidad. No existengrietas de desecación pero sí diaclasassubverticales y planos de estratificacióncon un espaciado en torno a los 5 m.

- Nivel-2, marga media, hasta los 110m de profundidad. Presenta consis-tencia de roca blanda grado 0 a grado0-1, con rotura frágil.

- Nivel-3, marga blanda, presenta lasmismas características que las del Ni-vel-1 con una potencia media entrelos 5 y 10 m, que, además, no se re-conoce en todo el yacimiento. Suspropiedades geotécnicas presentanuna elevada dispersión, si bien susparámetros medios son similares a losdel nivel suprayacente.

- Nivel-4, marga dura. Presenta unaconsistencia de roca blanda grado 0-1, en la cual la Resistencia y la rigidezaumenta de forma muy significativa.

- Marga arenosa, se trata de un nivelmasivo de margas, de espesor en tornoa los 5 m, con presencia de arenas al si-tuarse justo por encima de la formaciónarenosa del acuífero Niebla-Posadas.

En la Fig. 8 se muestra la tramificación des-crita del paquete margoso.

Comparación entre los resultadosde los ensayos realizados sobremuestras inalteradas y sobre bloquestallados de margaA continuación se realiza una comparación en-tre los resultados de los ensayos de laborato-rio realizados sobre muestras procedentes delos sondeos previos a la excavación de la cor-ta y los ensayos realizados sobre muestras ob-tenidas tallando la marga in situ. Puede apre-ciarse un elevado efecto de alterabilidad en latoma de muestras inalteradas de manera quelos resultados que se obtienen sobre muestrastalladas in situ son mucho más elevados.

Así los ensayos realizados sobre muestrasinalteradas obtenidas en sondeo presentan unamenor densidad y una mayor humedad queaquellos realizados sobre muestras obtenidastallando manualmente en la marga durante elprogreso de la excavación del cielo abierto.

Este hecho evidencia la imposibilidad, eneste tipo de rocas blandas, de obtener mues-tras realmente inalteradas. Este mismo fenóme-no se manifiesta cualquiera que sea el métodode obtención de la muestra durante la perfora-ción del sondeo (californiana, Shelby, etc).

Como consecuencia de esta alterabilidadde las muestras, los valores de resistencia a lacompresión uniaxial y de los módulos de de-formación son claramente menores que losque se han obtenido durante el seguimientogeotécnico efectuado durante la excavaciónde la corta.

Esta alterabilidad no solo se traduce en unamayor humedad y menor densidad, sino que

pueden llegar a apreciarse deformaciones en lamuestra derivadas del propio proceso de suobtención.

Comportamiento en la post-roturaEn este apartado se presenta el marcadocomportamiento de reblandecimiento o strain-softening de estas margas azules. Para valorareste comportamiento adecuadamente, se hanrealizado ensayos de compresión a deforma-ción constante, lo que permite el seguimientode la deformación tras la rotura.

A partir de este comportamiento de roturaprogresiva se ha definido un modelo constituti-vo con reblandecimiento de la marga, en el quela resistencia al corte, cohesión, ángulo de fric-ción y dilatancia, se definen como una funciónque depende de la deformación plástica.

Este modelo se ha basado en los resultadosobtenidos sobre 118 ensayos realizados enprensa servo controlada a deformación cons-tante, midiendo el comportamiento en la post-rotura.

Las Figs. 9a, 9b, 9c y 9d, muestran el resul-tado de estos ensayos para cada uno de los ni-veles geotécnicos adoptados, así como el valorpromedio en cada uno de ellos.

Puede observarse una relativamente eleva-da dispersión en los resultados, especialmenteen el nivel meteorizado (MET). Este nivel mues-tra un comportamiento claramente más dúctil,con una mayor deformabilidad y una menor di-ferencia entre la resistencia de pico y residual.

La respuesta en los niveles 1 y 2 es muy si-milar, mientras que el nivel 3 posee un compor-

� [Figura 8] .-Sección litológicaesquemática delas margasazules.

18621

Caracterización

tamiento apreciablemente más frágil siendomás rígido y mostrando mayor salto entre losparámetros de pico y residual.

La Tabla II resume los principales valoresobtenidos para cada nivel y que definen sucomportamiento tras la rotura.

Para determinar los valores de cohesión yángulo de fricción de cada nivel geotécnico seha realizado un ajuste estadístico consideran-do los 178 ensayos de compresión realiza-dos, los 122 ensayos de corte y los 112 tria-xiales consolidados sin drenar efectuados.

La principal ventaja de este método paraevaluar la resistencia al corte de la marga resi-de en poder aplicar modelos constitutivos nolineales que dependen de las tensiones princi-pales (σσ’’11 y σσ’’33), y de las tensiones definidascomo tensiones de corte en la rotura (ττ’ y σσnn’).

De este modo se ha considerado el mode-lo de Hoek-Brown que no es lineal (Hoek et al,2002). Como resulta bien conocido en estemodelo constitutivo la envolvente de rotura,cuasi-parabólica, se define en el plano σσ nn -- ττcomo una función de m, s y σσ cc.

Una vez ajustada la envolvente de rotura esposible realizar para un determinado estadotensional σσ nn, una linealización obteniendo pa-rejas de valores instantáneos de cohesión c yángulo de fricción Φ.

Los ensayos de compresión uniaxial, com-presión triaxial y brasileño, proporcionan, cada

uno, pares de valores σσ 11 y σσ 33, que obviamen-te pueden ser representados de forma directaen un diagrama σσ 11 - σσ 33. Sin embargo los en-sayos de corte proporcionan pares de valores(ττ −− σσ nn ), que se representan directamente enun diagrama con estos ejes pero no puedenser representados en un diagrama σσ 11 - σσ 33.

Si se desea, sin embargo, emplear los re-sultados de todos los ensayos, es necesario

homogeneizar los planos de tensiones, a tra-vés de una equivalencia tensional entre los es-tados de rotura definidos en el plano σσ nn -- ττ, yen el plano σσ 11 - σσ 33. Esta homogenizaciónviene dada por las expresiones:

(1)

(2)

Como claramente se observa esta relaciónno es directa y depende del valor de la tangentede la curva de rotura no lineal para un determina-do valor de tensiones, depende del valor del án-gulo de fricción interna ΦΦii relacionado con m.

Para resolver esta equivalencia (σσ’’11, σσ’’33) seha desarrollado un algoritmo matemático quehace posible calcular los valores de ΦΦii, h y ττpara cada trío (m, s, σσ cc). Consecuentementelos valores correspondientes a ensayos decompresión uniaxial/triaxial y a los ensayos bra-sileños se expresan como pares (σσ 11 y σσ 33),mientras que los ensayos de corte se represen-tan como pares (σσ 11’’ y σσ 33’’). Posteriormente elalgoritmo minimiza el error para la estimacióndel ajuste al criterio no lineal (m, s, σσ cc), minimi-zando la distancia r2 entre los valores (σσ 11 y σσ 33)y la curva de rotura de Hoek – Brown.

Una vez realizado el mejor ajuste para losvalores de m, s y σσ cc, que se deduce de losensayos, el algoritmo calcula una relación lineala la curva de Hoek – Brown para cada valor deσσ nn, estimando los valores de cohesión y el án-gulo de fricción ΦΦ del criterio de rotura deMohr-Coulomb para cada rango de tensiones.

La Fig. 10 muestra un ejemplo de uno deestos ajustes estadísticos, concretamente elefectuado para el nivel geotécnico 2. Comopuede apreciarse el algoritmo proporciona una

� [Figura 9] .- Comportamiento en la post-rotura en los cuatro niveles geotécnicos.

� [TABLA II] .-Principalesvalores en lapost roturade lasmargas.

�� [Figura 10] .- Ajuste estadístico del criterio de rotura de Hoek and Brown.

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Caracterización

representación en ambos planos σσ nn -- ττ y σσ 11y σσ 33, la curva ajustada para el criterio deHoek-Brown y la evolución de los pares de co-hesión y ángulo de fricción en función del ran-go de tensiones.

ConclusionesEste artículo describe la caracterización me-diante ensayos in situ y de laboratorio de lasmargas azules del Guadalquivir, efectuado an-tes y durante la fase de excavación del pre-stri-ping de la corta minera de Cobre Las Cruces.

Las margas azules del Guadalquivir consti-tuyen una formación compleja de caracterizardesde el punto de vista mecánico, pues esuna formación a caballo entre un suelo duro(arcillas sobreconsolidadas) y una roca blandaque evidencia la existencia de planos de estra-tificación y discontinuidades diagenéticas.

Los ensayos efectuados evidencian unaevolución de los parámetros de resistencia yde deformación de la margas en profundidad.Como consecuencia se han diferenciado has-ta cinco niveles geotécnicos.

La intensiva campaña de ensayos realizadaantes del inicio de la excavación así como losensayos realizados durante el desarrollo de lacorta, evidencian la alterabilidad que se produ-ce durante la toma de muestras inalteradas ensondeo, al comparar los resultados de estosensayos con los que se obtienen sobre mues-tra de bloque talladas a mano, obtenidas du-rante los trabajos de excavación de la corta.Así estas últimas muestras proporcionan unamayor resistencia y una mayor rigidez.

Estas margas poseen un marcado compor-tamiento con reblandecimiento (strain-softe-ning) que ha sido cuantificado mediante ensa-yos con medida en la post-rotura. De a cuerdoa estos resultados se ha definido una ley de re-blandecimiento con la deformación, como mo-delo constitutivo para las margas

Finalmente, se ha realizado un ajuste esta-dístico con los resultados obtenidos en todoslos ensayos efectuados. La ventaja que esteajuste presenta estriba en la posibilidad de de-terminar los valores de la cohesión y ángulo defricción para cada rango de tensiones a partirde un ajuste no lineal de los ensayos funciónde las tensione principales máxima Û’1 y míni-ma Û’3) en la que se tienen en cuenta tambiénlos resultados de los ensayos de corte.

AgradecimientosLos autores desean expresar su agradecimien-to a todo el equipo técnico de la empresa Co-bre Las Cruces que han participado en estetrabajo.

Así mismo queremos expresar nuestroagradecimeinto especial al equipo de gerenciade la empresa por el permiso para publicareste artículo.

Bibliografía

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�� [TABLA III] .-Valores deCohesión yángulo defricción delos nivelesgeotécnicos.

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