Fundaciones en minería: Bases de una construcción

Gentileza Sigdo Koppers S.A.
Gentileza Sigdo Koppers S.A.

Debido a los distintos elementos que se encuentran en una faena minera, las fundaciones deben considerar simultáneamente condiciones de carga que imponga la construcción que se realice, junto con las características del suelo y las restricciones constructivas del proyecto.

De acuerdo a los entrevistados, la elección del tipo de fundación es una decisión técnico-económica, de la que dependerá el tiempo de ejecución. Las más usadas en faenas mineras son las superficiales (zapatas aisladas), utilizadas generalmente en zonas de producción (plantas, stockpiles, domos, entre otros).

La calidad y tipo de suelo juegan un rol preponderante, por lo que se recomienda desarrollar tempranamente estudios de mecánica de suelos detallados para definir soluciones de fundación, que permitan conciliar las condiciones geotécnicas de los terrenos con las consideraciones de procesos.

Alfredo Saavedra L.
Periodista Construcción Minera

Sentar bases firmes es fundamental para cualquier tipo de proyecto, más aún, si en una misma faena, se pueden requerir diversas construcciones que cumplen variadas funciones. Así es como en una minera nos podemos encontrar con áreas de producción, stockpiles, domos, edificios administrativos, entre otros; construcciones que necesitan uno u otro tipo de fundaciones que, de acuerdo a Claudio Canteros, ingeniero civil de GEOSOIL LTDA, suelen ser de comportamiento rígido y con un diseño que considera la importancia de la estructura o equipo que soportan, por ejemplo, naves industriales, con baja tolerancia a asentamientos; equipos vibratorios con necesidad de masa que sirva de anclaje; el entorno industrial como por ejemplo sectores con potencial de inundamiento, con suelos de fundación salinos, potenciales futuras excavaciones; y aspectos constructivos tal como cercanías con otras fundaciones (entibaciones), cercanía a taludes.

Por tal motivo, las fundaciones consideran simultáneamente las condiciones de carga que imponga la construcción que se realice, junto con las características del suelo y las restricciones constructivas del proyecto. “La elección del tipo de fundación es una decisión técnico económica, ya que, por un lado depende del tipo de suelo, el cual se encuentra caracterizado en el Informe de Mecánica de Suelos de cada proyecto, mientras que por otro lado, las restricciones de deformaciones admisibles del equipo o edificio a fundar junto con la deformabilidad del suelo (su rigidez), también influyen en esta decisión”, comenta Miguel Leal, jefe funcional de Ingeniería Estructural de la Gerencia Técnica de Sigdo Koppers S.A. De esta elección dependerá el tiempo de ejecución, siendo más sencillo y por consiguiente de un plazo más corto el realizar fundaciones superficiales (entre ellas las zapatas aisladas) respecto de fundaciones profundas. “En general el proceso se inicia con el diseño, el cual a partir de los datos de entrada, (típicamente, cargas, especificaciones técnicas, criterios de diseño, mecánica de suelos, restricciones provenientes del edificio o equipo), permiten realizar la memoria de cálculo y con este documento se pueden dibujar los planos de formas y armaduras con los cuales se inicia la fase de compra de materiales y construcción”, explica Leal.

La metodología de construcción utilizada comienza con las excavaciones que son realizadas por excavadoras y retroexcavadoras. “La parte más voluminosa se excava en general con excavadora (retroexcavadora para las fundaciones más chicas), mientras que en oportunidades, los bordes y fondo de excavación, son terminados a pala para no salirse de los ejes. A veces se usa la pala de la retroexcavadora, para sacar el material de la excavación a mano”, explica Oscar Guarda, jefe de Maniobras Especiales e Innovación de Sigdo Koppers S.A.

El proceso de excavación, que consiste en el retiro del volumen necesario de material en donde se construirá la fundación, se inicia con el trazado topográfico de su ubicación exacta y, según las condiciones de suelo y profundidad, se elige la maquinaria adecuada. En general, las retroexcavadoras y excavadoras son apoyadas por camiones tolvas que permiten trasladar el material a acopios temporales (en el caso que sean reutilizados) o a botaderos autorizados (en caso contrario). “El uso de camiones aljibes resulta de vital ayuda para mitigar los efectos de la polución que se produce al excavar y cargar la tolva. La maquinaria minera, además de las características técnicas propias del equipo, debe cumplir con requisitos de seguridad de las mineras, relacionado con señales sonoras, cintas reflectantes, conos de demarcación, pértiga y baliza, entre otros”, señala Rodolfo Cárcamo, constructor civil y Administrador de Contratos en Puga Mujica y Asociados S.A.

Para los sellos de fundación, con o sin emplantillado y para no alterar las condiciones de resistencia y rigidez del suelo, se remata la excavación a pala y luego en general se compacta la mayoría de las veces con placas compactadoras. “En fundaciones más grandes se utiliza rodillo compactador. La mayor cantidad de contratos exigen colocar un emplantillado de 5 cm de espesor sobre el sello de fundación como placa de limpieza, donde se pueden trazar los ejes de las fundaciones y posiciones de pernos de anclaje, y además se puede soplar para mantener la zona limpia. Como equipo para el emplantillado, en general, se utiliza solo el camión mixer que trae el hormigón y luego es vaciado directo al fondo de la excavación por medio de las canoas. A veces se requiere llegar con grúa y capacho, cuando no puede acceder el camión mixer”, detalla Guarda.

Posteriormente, la etapa de enfierradura considera preparación (cortado, doblado y marcado) fuera de la faena con el objetivo de que su montaje se realice en un tiempo menor al que tardarían si fueran fabricadas en faena. “En fundaciones pequeñas, se trae el fierro prearmado, se baja a la excavación y se deposita sobre el emplantillado. Cuando las fundaciones son repetitivas, se puede programar el traer los canastillos de estas ya pre armados desde los patios de enfierradura, los que se transportan y se bajan con el mismo camión que tiene un equipo de izamiento acoplado, o se usa una grúa torre o grúa móvil, para bajarlo y posicionarlos sobre el emplantillado”, explica el ingeniero de Sigdo Koppers S.A.

Tras esto corresponde la actividad del moldaje o encofrado, actividad que también ha tenido un desarrollo mediante encofrados industrializados, paneles súper livianos, piezas de ajustes especiales e incluso la incorporación de plataformas y pasarelas que evitan tener que armar estructuras adicionales para realizar la ejecución de la misma o de actividades posteriores. “Finalmente el hormigonado de la fundación se realiza mediante hormigones dosificados en planta hormigonera y colocados con la ayuda de bombas de hormigón que nuevamente permiten un aumento de la velocidad de colocación respecto de métodos tradicionales”, explica Cárcamo.

Como el hormigón debe cuidarse en los primeros días para que alcance sus propiedades de resistencia y durabilidad, se requiere monitorear su temperatura y humedad, evitando evaporación excesiva y fisuras. Para el curado hay múltiples metodologías, como arena húmeda, arpillera húmeda, membranas de curado, polietileno con aislación, entre otras.

Suelos

En principio, los suelos debiesen presentar características adecuadas para los niveles de esfuerzos transmitidos por las distintas fundaciones así como módulos de deformación que permitan controlar las deformaciones toleradas por los equipos. Sin embargo, eso no siempre se da en la realidad y por eso es necesario desarrollar tempranamente estudios de mecánica de suelos detallados para definir las condiciones y las soluciones de fundación, que permitan conciliar a la vez las condiciones geotécnicas de los terrenos con las consideraciones de procesos. “Los estudios de mecánica de suelos se apoyan, a su vez, en campañas de prospecciones consistentes en la perforación de sondajes geotécnicos, excavación de calicatas, exploraciones geofísicas y ensayos in-situ y en laboratorio. Cada terreno en particular, requiere de una campaña de exploraciones a la medida, la que se precisa en base a mapeos geológicos y a la disponibilidad de antecedentes”, cuenta el ingeniero Edgar Bard, consultor Geotécnico de Arcadis Chile S.A., agregando que la profundidad de los sondajes depende, por lo general, del bulbo de presiones de los equipos más críticos, permitiendo caracterizar los materiales de fundación hasta la profundidad de interés. “En estos sondajes se efectúan ensayos in-situ y se toman muestras para su caracterización en laboratorio. Las características superficiales de los terrenos se evalúan mediantes calicatas o zanjas que pueden alcanzar profundidades del orden de 5 m, a partir de las cuales se establece una estratigrafía sub superficial. También se extraen muestras representativas de los estratos de interés para su caracterización en laboratorio y se determina la densidad in-situ de estos materiales”, detalla el experto. Dado que las áreas de las plataformas son extensas, la información obtenida de sondajes y calicatas suele extrapolarse en profundidad y extensión mediante perfiles geofísicos, los que se calibran con los resultados de los sondajes. Finalmente, con la información geológica recopilada y el análisis e interpretación de los resultados de las exploraciones y ensayos in-situ y de laboratorio se establece un modelo geotécnico a partir del cual se determinan las condiciones de fundación de los equipos o estructuras. “En general, en caso que un suelo sea poco apto para un determinado tipo de fundación, se busca la alternativa de emplazarla en un estrato de mejores características o bien reemplazarlo con un material compactado que reúna las condiciones necesarias. Dado que las fuentes de empréstitos suelen ser escasas, se analiza como primera alternativa la selección de materiales excavados en el sitio. Si esto aún no es factible, se examinan distintas soluciones alternativas de fundación”, puntualiza Bard.

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Gentileza Sigdo Koppers S.A.

Fundaciones en áreas de producción, stockpiles y domos

El tamaño de estas depende en gran medida de los elementos que van a soportar, por lo que en estos casos se utilizan, en su mayoría, fundaciones mediante zapatas, principalmente aisladas y continuas. “La zapata aislada corresponde a un tipo de fundación superficial (de baja profundidad) que sirve de base de elementos estructurales como los pilares. Esta zapata amplía la superficie de contacto con el suelo hasta lograr que este soporte sin problemas la carga que le transmite. Está compuesta por un pedestal, encargado de recibir la carga desde los pilares, y por la base o zapata que es la encargada de transmitir las cargas al suelo y evitar tener que ensanchar todo el cimiento”, explica Cárcamo.

El método constructivo más utilizado es la ejecución de los elementos in situ, ya que por su magnitud y peso, resultaría poco práctico el método de prefabricación. “A menudo se utiliza la prefabricación en obra de la enfierradura, en cuanto a recibirla preparada en terreno como en el armado del elemento fuera de su posición final, siempre dependiendo del tamaño del elemento a prefabricar”, detalla Cristián Vergara, gerente de Operaciones de Echeverría Izquierdo Montajes. En el caso de las fundaciones en stockpiles y domos, tanto su profundidad como forma dependerán en gran parte del resultado de los cálculos y de la geometría de la superestructura. Las excavaciones para domos son similares en su forma a las de cualquier otra estructura que se compone de una gran zapata, pero su diseño en planta es distinto ya que corresponde a estructuras con formas ovaladas no necesariamente simétricas que exigen al equipo de topografía entregar puntos exactos en terreno en donde se deben realizar las excavaciones y posteriormente las actividades que permitan construir las fundaciones. “Las formas curvas tanto de la zapata como de los muros que componen una gran fundación continua y que generan una especie de anillo bajo el domo, se realizan mediante moldajes curvos o bien de dimensiones tales que permitan facetar los muros de las fundaciones”, explica Cárcamo, agregando que la profundidad va a depender del estudio de la mecánica de suelos que determina cuan profunda debe ser la excavación y la necesidad de realizar mejoramientos o compactaciones adicionales al sello. “Obras de gran envergadura en donde su gran peso propio implica una componente sísmica importante también afectará el diseño de las fundaciones generando posiblemente dimensiones adicionales a las que se calcularían sin ese efecto”, detalla el constructor civil.

Para su ejecución se requiere de excavadoras que permitan mover grandes volúmenes y alcanzar las profundidades señaladas en el proyecto, camiones tolva en la cantidad suficiente para permitir que la remoción del material se realice de manera continua y finalmente, camión aljibe que permita controlar la polución.

Un ejemplo de uso de estas fundaciones se aprecia en el domo de hormigón construido en el yacimiento Ministro Hales, estructura de 56 metros de diámetro por 30 metros de alto, utilizado para acopio de concentrado de cobre con control de emanaciones hacia la atmósfera. Para su construcción se utilizó una membrana inflable que fue fijada al anillo de fundación delimitando el tamaño de la cúpula; luego de ser inflada, se aplicó una espuma aislante en su interior, para luego continuar con la instalación y montaje de la enfierradura y finalmente fue proyectado el hormigón de manera manual. El detalle del proceso de construcción consistió en ejecutar previamente las fundaciones del domo, de tipo zapata corrida perimetral, de aproximadamente dos metros de ancho y un metro de altura a lo largo del perímetro de la estructura, en la que se consideraron los arranques de enfierraduras que posteriormente se empalmaron con las barras verticales de las enfierraduras de las paredes del domo. En seguida, se ingresó la enfierradura y se dispuso en el perímetro interior de la cúpula (antes de extender la lona del domo). Terminado este proceso, se desplegó la membrana inflable cubriendo la totalidad de la superficie, la que fue fijada por el exterior del anillo de fundación dejando un sector libre para el ingreso de los equipos (más detalles de esta obra en Revista Construcción Minera N°7).

Fundaciones en muros de contención

De acuerdo a los expertos consultados, en estos casos el tipo de fundación corresponde a zapatas continuas, las que permiten el apoyo del muro de contención en toda su longitud. Esta gran masa de hormigón permite transmitir al terreno el peso del muro y a su vez evita el volcamiento del mismo por los empujes laterales que recibe. “El peso del relleno que se coloca detrás de los muros (entre el cerro y la parte trasera de los muros), ayuda a que estas estructuras resistan los esfuerzos de volcamiento. En cuanto a su impermeabilización, esta consiste en general en la aplicación de un producto bituminoso que evita que la humedad ingrese dentro del hormigón e inicie el proceso de oxidación de las armaduras”, detalla Vergara.

Este proceso de construcción comienza con su trazado topográfico para continuar con la excavación mediante medios mecánicos. El sello de fundación debe ser recibido por el mecánico de suelos o en su defecto se deberán comprobar los parámetros de diseño que permitan fundar a esa cota. Luego, un emplantillado en la base que permita la colocación de la armadura de la fundación y posteriormente el hormigón masivo para rellenar esta gran fundación.

La durabilidad es otro factor importante y que se ve afectada por las condiciones agresivas dentro de una minera al estar el hormigón expuesto a contaminantes químicos que podrían dañarlo tanto como a la armadura, razón por la cual dentro del diseño debe contemplarse que el hormigón sea lo suficientemente compacto e impermeable para evitar el ingreso de contaminantes, lo que también se logra aumentando los espesores de recubrimientos de armaduras. A modo de ejemplo, Cárcamo detalla algunas actividades de la construcción de un muro de contención como parte del proyecto Planta de Prechancado realizado por Puga Mujica S.A. en la localidad de Sierra Gorda, en Minera Centinela (Ex Minera Esperanza). “El diseño contempló una fundación de 4,5 m de ancho por 10 m de largo la cual debió ser hormigonada de una sola vez para evitar puntos de falla, mismo requisito que tiene la ejecución del muro. Luego, se procedió a la confección de la enfierradura del muro para continuar con el moldaje previamente modulado para optimizar los tiempos de instalación y retiro”, explica, agregando que finalmente la secuencia de hormigonado del muro se realiza de una sola vez con la ayuda de una bomba de hormigón. “En esta etapa la actividad de colocación por capas y vibrado de cada una es esencial para la calidad del producto final. Transcurrido el periodo necesario para el retiro de los moldajes, mediante uso de grúa, se obtiene como producto final una estructura monolítica sin puntos de falla y preparada para soportar las solicitaciones para las que fue diseñada”, señala.

Fundaciones con pilotes

Las fundaciones profundas (pilotes o micropilotes) son una alternativa para fundar estructuras que someten al suelo a cargas/tensiones mayores a las admisibles o bien, para limitar los asentamientos totales o diferenciales cuando estos superan los admisibles de la estructura. “En caso de que no se tenga un suelo apto para fundar de manera tradicional (zapata o losa) o que las dimensiones de la fundación tradicional superen el espacio disponible, la alternativa de fundaciones profundas entrega una solución viable para el proyecto”, explica Macarena Ayarza, gerente de Desarrollo de Negocios, de Pilotes Terratest S.A. Dentro de la gama de suelos en los cuales se pueden ejecutar pilotes o micropilotes están los granulares, cohesivos, con nivel freático, clastos o roca (utilizando herramientas especiales como el trépano o core barrel en el caso de pilotes o perforación con DTH en caso de micropilotes). “El tipo de terreno implicará la técnica de ejecución a proponer y el procedimiento de ejecución particular que pueda tener esa obra, ya sea, ejecución con pilotera a rotación bajo lodo (polímero o bentonita), ejecución con pilotera a rotación con camisa recuperable, ejecución con grúa y cuchara con camisa recuperable, ejecución con grúa y cuchara bajo lodos (polímero o bentonita) o ejecución mediante pilotera a rotación con hélice continua (CFA o Continuous Flight Auger)”, detalla Ayarza, agregando que dependiendo del tipo de ejecución, se utilizan principalmente piloteras a rotación de gran torque y grúas de gran tonelaje como apoyo a las anteriores, o bien, como equipos principales.

A modo de ejemplo, en 2010, una importante faena minera del Norte de Chile decidió incorporar nuevos métodos constructivos para la ampliación y reubicación de sus áreas de operación. Para ello, ejecutó un proyecto que consistió en la reinstalación de los equipos existentes de las plantas de chancado primario número 2 y 3  y los sistemas de transporte de mineral desde el rajo.

El contexto geotécnico de la obra era único en su tipo debido a que el suelo de fundación correspondía a un relleno de botadero de mina de aproximadamente 70 metros de espesor, por lo que la fundación fue diseñada como tipo “flotante”. El principal objetivo de fundar los chancadores mediante una losa combinada con pilotes de gran diámetro fue controlar los asentamientos totales y diferenciales de las estructuras durante la construcción y vida útil, y aliviar el suelo de apoyo de solicitaciones mayores a las admisibles, con la consiguiente falla del mismo.

El procedimiento constructivo de los pilotes consistió en la estabilización de las paredes de la excavación con camisa metálica recuperable, en la progresiva excavación del terreno con hélice o balde en seco y posteriormente colocó la armadura en el interior de la perforación encamisada. Terminado lo anterior, se realizó el hormigonado (calidad H30) del pilote mediante tubería tremie y retirando progresivamente de la camisa.

Otro condicionante especial, fue la secuencia constructiva que consideró la ejecución de un muro de contención TEM contiguo a las fundaciones e instalado con posterioridad a la ejecución de los pilotes de fundación y al hormigonado de la platea o losa de cabezal. Lo anterior obligó a modelar la influencia del muro sobre los pilotes, calculando las deformaciones horizontales y verticales impuestas durante el relleno del muro, por lo que se debió incluir en el análisis FEM (método de elementos finitos) la secuencia constructiva, considerando que al tener el 40% de la altura del muro, se puede montar la losa, sin ocasionar problemas estructurales (más detalles sobre este proyecto en Revista Construcción Minera N°15).

Recomendaciones

Un elemento común que deben enfrentar todos los tipos de fundaciones en su desarrollo es el clima de la región donde se sitúen. El clima frío (bajo 5°C) no permite el adecuado fraguado del hormigón, porque disminuye la cinética de la reacción química afectando su resistencia y durabilidad. “En estos casos, usualmente se debe considerar un sistema de aislación térmico que puede incluir calefacción. También se debe controlar la temperatura de los materiales de la mezcla. Este sistema de protección debe mantenerse por varios días dependiendo del tipo de hormigón”, aconseja Miguel Leal, de Sigdo Koppers S.A.

Tanto el clima frío como el caluroso pueden afectar al hormigón durante su colocación y fraguado. “El clima caluroso (sobre 30°C), seco y/o ventoso (evaporación) también puede influir en las características finales que pueda lograr el hormigón, debido a la evaporación del agua en la mezcla, porque su ausencia impide completar el proceso de fraguado. En estos casos las medidas a aplicar son la protección de las superficies expuestas del hormigón, que van desde dispositivos que provean sombra hasta dispositivos que mantengan la humedad en el ambiente y en la superficie (curado)”, recomienda el experto. Otras alternativas que se manejan para asegurar la calidad del hormigón tienen relación con la protección del mismo mediante la aplicación de cámaras de curado a través de productos químicos (como membranas de curado) que evitan la evaporación del agua.

“Para el caso de contrarrestar las bajas temperaturas se recomienda utilizar termocuplas para monitorear las temperaturas y mantas térmicas evitando la gradiente entre el núcleo y el exterior, disminuyendo la aparición de fisuras y grietas por retracción térmica que atentan contra la durabilidad y resistencia del elemento”, agrega Cárcamo.

Respecto al clima ventoso, el ingeniero de GEOSOIL LTDA, Claudio Canteros, indica que la construcción de las obras se efectúa para velocidades de viento en las cuales sea seguro trabajar, “por ello es importante definir el rango de duración de las ventanas que permitan la construcción y la velocidad límite de viento para construir”.

En cuanto a recomendaciones de construcción, los especialistas señalan que solo se pueden dar algunas de carácter general, pues cada sitio de implantación de infraestructura minera debe responder tanto a requerimientos de operación como a consideraciones geológico-geotécnicas.  A modo de ejemplo, Oscar Guarda señala que en el caso de fundaciones masivas, que en general son aquellas que tienen un espesor sobre 1 m y dimensiones por sobre 10 metros de ancho y longitud, se está dando una metodología constructiva, que evita que la masa de hormigón de la fundación llegue a altas temperaturas, achicando los tramos de hormigonado a aproximadamente unos 8 m x 12 metros.

Además, y aunque se conoce hace tiempo, la implementación de prefabricados en las faenas mineras es cada vez más común ya que ayuda a simplificar procesos. “El hormigón prefabricado convierte una faena húmeda y complicada en una actividad más simple, reduciendo tiempos de colocación y descimbre”, agrega Cárcamo, señalando que las limitaciones están dadas por el volumen y peso ya que tienen la componente del transporte que define las dimensiones y pesos máximos que se pueden utilizar; sin embargo, “un buen estudio y dimensionamiento puede hacer que la etapa civil se optimice disminuyendo los plazos de manera relevante”, explica.

En cuanto a la tecnología los expertos señalan que no se ha desarrollado demasiado porque en general, la minería adopta en sus ámbitos soluciones que han sido probadas exitosamente con anterioridad. “Los espacios para la innovación son restringidos, pero se ha avanzando en temas específicos con los muros mecánicamente estabilizados en los chancadores primarios y sistemas de contención, el uso de geogrillas y geosintéticos en general para reforzar fundaciones de estructuras y conformación de piscinas de procesos y agua de mar”, comenta el ingeniero Rodolfo Verdejo, especialista estructural de Arcadis Chile S.A.

Así, los avances, al igual que los distintos tipos de fundaciones y sus formas de construcción, apuntan a entregar el máximo soporte posible a las estructuras que se levantan sobre ellas.

Fundaciones para edificios o campamentos

Estas fundaciones corresponden al tipo más sencillo de ejecución dentro de una faena minera. Debido a las bajas solicitaciones dado el peso de los elementos que sostiene, el tamaño y la cantidad de fundaciones tiende a disminuir. Las más comunes para campamento corresponden a fundaciones aisladas en las que se apoyan las edificaciones. Cubos de hormigón con 50 cm de arista apoyado sobre un terreno compactado y nivelado será suficiente para soportar módulos de oficinas administrativas, campamentos y otras instalaciones. Es común que estas fundaciones no requieran siquiera excavaciones y solo se colocan sobre el terreno previamente nivelado y compactado con lo que se consiguen cortos tiempos de ejecución. Edificios de carácter definitivo y que requieren una mayor durabilidad tendrán también más exigencias en sus fundaciones, las que sí requieren excavaciones, ya sea para las zapatas aisladas o continuas que la ingeniería haya diseñado.

Post Author: Fabiola Garcia Sanders