Ingeniera Civil Mecánica / Los medios granulares son de gran interés en el área de la ingeniería y la industria, siendo el segundo tipo de material más ampliamente trabajado después de los recursos hídricos. Es debido a este interés, sumado al interés científico, que dichos materiales han sido ampliamente estudiados en los últimos 160 años. El estudio de medios granulares comenzó con Hagen a mediados del siglo XIX. Posteriormente, se desarrollaron diversos estudios, tanto numéricos como experimentales, para conocer de mejor manera los fenómenos que ocurren en medios granulares. Estos fenómenos son, entre otros, el flujo convectivo, segregación y formación de atascos de material. Además, se han encontrado trabajos en que se conjugan vibración externa y flujo de salida, obteniéndose relaciones experimentales entre el flujo de salida y ciertas variables de oscilación. Sin embargo, estos estudios consideran una única forma de onda. En este trabajo de título se estudia un sistema que consta de un recipiente de tamaño y geometría invariables, con un orificio de salida en su cara inferior, llenado con un medio granular sometido a un régimen vibracional en dirección vertical. La geometría del recipiente se basa en los silos industriales, existiendo una disminución de sección hacia la parte inferior. Se estudia el comportamiento del medio granular según el régimen de vibraciones empleado, que es variado en su forma de onda, amplitud y frecuencia. Se mide tanto la cantidad de material que sale del recipiente, como los rangos de frecuencias en que ocurre salida de material. El diseño del recipiente es parcialmente realizado en un software CAD, para luego ser fabricado por medio de una impresora 3D. Los materiales granulares utilizados son dos, para efectos de contraste. Los resultados obtenidos comprenden las frecuencias de salida de material, encontradas por medio de barrido; y los tiempos y flujos másicos de vaciado tanto para la porción inferior del recipiente, como para tramos intermedios. Para esta última medición se calcula el flujo másico de salida, dependiente del volumen de cada tramo. Otro fenómeno observado y medido es el flujo convectivo al interior del recipiente, además del comportamiento de una esfera metálica en el material granular. En general, se logra observar los fenómenos conocidos por los antecedentes; obteniéndose relaciones entre los flujos de material y los parámetros de forma de onda, amplitud y frecuencia. Finalmente, se realizan algunas recomendaciones para futuros trabajos.

Ingeniero Civil / En el marco de la presente investigación, se estudió la influencia de la densidad relativa en la resistencia al corte para materiales granulares gruesos. La finalidad de este estudio es establecer en primer lugar, una metodología que permita estimar la densidad relativa en materiales granulares gruesos a partir de resultados de ensayos de densidad máxima y mínima de laboratorio convencionales. Para ello se realizó una intensa búsqueda en la literatura técnica, lo cual permitió generar una base de datos sólida, que a su vez, fue utilizada en establecer correlaciones para estimar los índices de vacíos máximos y mínimos utilizando el coeficiente de uniformidad. Estas correlaciones permitieron conseguir el objetivo de construir una metodología que estima la densidad relativa en suelos gruesos. Otro objetivo de este estudio es el de incorporar nuevos datos a los ábacos de resistencia utilizados para materiales granulares gruesos. Para ello se realizó una búsqueda en la literatura técnica de todos los ensayos triaxiales de grandes dimensiones publicados hasta ahora, con lo cual fue posible construir un nuevo ábaco de resistencia. Posteriormente se aplicó la metodología de estimación de la densidad relativa a aquellos datos recopilados para el ábaco de resistencia. Como resultado de aplicar la metodología propuesta, esta se ajustó de muy buena forma, entregando resultados coherentes, y en la mayoría de los casos permitió estimar la densidad relativa a la que fueron ensayadas las muestras en celdas triaxiales de gran escala. Además se logró comprobar las tendencias de comportamientos propuestas por otros autores, por ejemplo que para un mismo nivel de confinamiento el ángulo de fricción que presenta una probeta densa es mayor al que presenta una probeta en estado suelto, o también que para un mismo estado inicial de densidad al aumentar el nivel de confinamiento el ángulo de fricción interna que presenta el material tiende a disminuir. Por último, se establecen rangos de variaciones en el ángulo de fricción interna que podrían presentar los materiales para distintos niveles de confinamiento y diferente en densidad relativa, discriminando en curvas granulométricas uniformes y bien graduadas. Queda en evidencia que los fenómenos de resistencia al corte y densidad relativa dependen de varios factores que no fueron necesariamente considerados en esta investigación y sería interesante estudiar la influencia de estos en el futuro.

Doctor en Ciencias de la Ingeniería, Mención Fluidodinámica / El estudio de la reología de medios granulares densos tuvo un fuerte impulso a raíz de la aparición del modelo reológico propuesto en GDR MiDi, 2004, el cual estableció una relación local entre el esfuerzo de corte normalizado por la presión y el número de inercia. Esta relación se cumple satisfactoriamente para distintos escurrimientos, cuando se presentan bajos gradientes de la velocidad de deformación. Por otro lado, este modelo resulta insatisfactorio para problemas con altos gradientes de la velocidad de deformación. Para estos últimos casos se han propuestos diversos modelos denominados no locales. El objetivo de la presente tesis es evaluar el desempeño de modelos reológicos, tanto locales como no locales, para sistemas distintos a los que dieron su origen, utilizando la modelación continua y discreta del medio granular, de la forma en que se explica a continuación: Problemas resueltos mediante modelación continua: El modelo local ya mencionado fue evaluado para dos sistemas estacionarios, estos son: (1) escurrimiento en celda Couette modificada y (2) flujo gravitacional en celda tipo block caving. La metodología en estos casos consistió en resolver numéricamente un modelo continuo, compuesto fundamentalmente por la ecuación de conservación de momentum del medio granular y la reología local incorporada a esta ecuación. Finalmente, se compararon los resultados de los modelos con datos obtenidos a partir de simulaciones discretas y experimentos. Problema resuelto mediante modelo discreto: En este caso el problema a resolver fue un sistema en estado transiente, compuesto por un medio granular bajo cizalle simple. De forma instantánea el medio granular es sometido a un cambio en el sentido de cizalle, generándose un periodo de relajación del sistema hasta volver al estado original. Para la simulación de este caso se utilizó un modelo de dinámica molecular, en el cual fueron creadas distintas configuraciones variando la altura del sistema y la densidad global del medio granular. Referente a los resultados obtenidos para el modelo de la celda Couette modificada, se logró predecir el campo de velocidades de rotación en los casos clasificados dentro del régimen demominado abierto, por el contrario, se encontraron importantes discrepancias en los regímenes de transición y cerrado. En cuanto al modelo para el problema de block caving, este arrojó una zona de extracción aislada de tamaño similar a la encontrada experimentalmente, además este modelo logró predecir el ángulo de falla a la salida del sistema. Con respecto al problema abordado con enfoque discreto, el principal resultado encontrado es que el medio granular relaja en dos fases asociadas a dos tipos de reologías. En una primera fase, el esfuerzo de corte normalizado en el centro del sistema se mueve siguiendo una nueva relación no local. En esta relación aparece el laplaciano del esfuerzo de corte normalizado, como una nueva variable. En una segunda fase, el esfuerzo de corte normalizado satisface la relación local dependiente del número de inercia antes señalada.

Ingeniera Civil / En la actualidad CODELCO está desarrollando el Proyecto Mina Chuquicamata Subterránea (PMCHS) que pretende transformar la mina a tajo abierto en una operación subterránea mediante el proceso de Block Caving. Para la optimización de este proceso es trascendental conocer el comportamiento de los materiales quebrados y sus mezclas, en cuanto a sus características geotécnicas, producidos en la etapa de socavación del macizo rocoso. Se seleccionaron dos materiales procedentes del proyecto: Pórfido Este Serecítico (PES) y Pórfido Este Potásico (PEK). Se realizó una caracterización geotécnica y se definieron dos sets de ensayos en compresión triaxial drenado (CID) en probetas de 5x10 [cm] para diferentes mezclas entre ambos materiales, a presiones de 1, 3, 6 y 20 [kg/cm2]. Finalmente se realizaron granulometrías post-ensayo Se obtiene que con el aumento del confinamiento, el ángulo de fricción secante disminuye y la rotura de partículas aumenta. Se destaca la gran y drástica disminución del ángulo de fricción a altas presiones al comparar con resultados de otros autores. Esto se explica por la rotura de partículas que depende del confinamiento, la naturaleza de las partículas y, en menor medida, de la resistencia de las mismas. Por otra parte, la naturaleza no transportada hace que los materiales hereden los defectos de la roca madre, lo que implica que no haya una tendencia clara en el comportamiento al aumentar el tipo de material fuerte o débil.

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Magíster en Minería / En los métodos de block /panel caving el flujo gravitacional es un factor importante que tiene gran influencia en la toma de decisiones para un óptimo diseño y planificación de la mina. Diversas investigaciones en el tema se han desarrollado desde los 60 utilizando modelamiento físico, numérico y ensayos a gran escala. Para el caso específico de los modelos físicos, el objetivo de estas investigaciones se ha basado en comprender el mecanismo involucrado en el flujo gravitacional de medios como arena y grava, para determinar su impacto en el diseño. Paralelamente con datos observados se han construido guías empíricas de diseño que han sido ampliamente utilizadas, sin embargo en las últimas décadas la explotación de este método subterráneo ha cambiado y en la actualidad es utilizado para una amplia gama de resistencia de macizos rocosos. Con el objetivo de determinar variables que tengan mayor importancia en la caracterización del flujo gravitacional en material granular fino, este trabajo presenta el estudio experimental sobre un modelo físico no confinado (Escala 1:75). En él se llevaron a cabo diez ensayos considerando como variables: material fino, masa de extracción acumulada y porcentaje de humedad sin llegar a la saturación del medio. Los resultados indican que las variables que afectan la geometría de las zonas de flujo son la humedad y la masa de extracción acumulada. Para el caso del material húmedo, el diámetro máximo alcanzado después de 14 [kg] de masa de extracción tiene pequeñas variaciones en su incremento, sin embargo la altura continua propagándose a lo largo de la columna de mineral. Cuando los porcentajes de humedad son igual a 6%, la altura de los elipsoides no llega a un valor similar (69.9 [cm]) que los ensayos restantes. Estos cambios en el comportamiento del flujo gravitacional se deben a la cantidad de agua añadida al material fino. De esta forma se producen fuerzas capilares que cambian las propiedades resistentes del material. Por otro lado, los diámetros obtenidos fueron escalados al prototipo y proyectados sobre un layout de 34 x 17 [m], se verificó que los elipsoides se traslapan dentro de la batea, pero no entre estas. El resultado es tonelaje de material aislado que disminuye la recuperación de mineral. Además, los resultados respecto a la frecuencia de colgaduras son cercanos a los datos de puntos de extracción relacionados con material fino y humedad de la mina Esmeralda. Esta aproximación entre datos reales y experimentales se debe a que el factor de flujo (carga vertical y resistencia del material) es similar en los dos casos (prototipo y modelo físico). Finalmente, con los datos experimentales y el uso del análisis dimensional mediante la aplicación del teorema de Buckingham se proponen dos modelos matemáticos para predecir la geometría de los elipsoides (altura y diámetro).

Esta tesis se dedica al estudio experimental de fluctuaciones de densidad, orden o energía cinética en sistemas granulares de partículas esféricas confinadas en una caja poco profunda de geometría cuasi-bidimensional. El sistema es forzado mediante vibraciones sinusoidales ortogonales al plano de la caja contenedora. En particular nos enfocamos en dos sistemas: en el primero se estudian las fluctuaciones de densidad y orden en la vecindad de una coexistencia de fases tipo sólido-líquido; en el segundo se estudian las fluctuaciones de densidad y de energía en un sistema bidisperso de masa que se encuentra segregado. En el primer capítulo, se describen los medios granulares como medios complejos (que varían de comportamiento según sea el contexto físico), como materiales macroscópicos y disipativos, cuyas interacciones naturales son dadas mediante colisiones. Se hace una introducción a los fenómenos específicos que se estudiaron y se comentan trabajos anteriores que contextualizan las fenomenologías estudiadas. El primer caso, corresponde a un montaje cuasi-unidimensional que contiene partículas de acero inoxidable de 1 [mm] de diámetro y de altura un poco menor que dos veces el diámetro de las partículas. En el sistema la longitud horizontal es mucho mayor que la altura de la celda, y su ancho es solo seis veces mayor que el diámetro de la partículas. En un segundo caso se estudia un sistema cuasi-bidimensional compuesto por partículas de acero inoxidable y partículas de poliamida de 3 [mm] de diámetro. La caja que confina los granos tiene medidas tales que las longitudes horizontales son prácticamente iguales y la altura nuevamente no supera los dos diámetros de partícula. En este capítulo se explican también los métodos de adquisición de imágenes y de la aceleración. Además se detalla el proceso de análisis de imágenes para medir la posición y velocidad de las partículas. En un tercer capítulo se definen y analizan brevemente las cantidades físicas observables en que nos enfocamos para realizar este trabajo. En general son definidos como función del espacio y del tiempo, así como de la posición y velocidad de las partículas. Se diferencia también las medidas según la escala espacial de observación; escala microscópica, mesoscópica y macroscópica. En el cuarto capítulo se presentan los principales resultados obtenidos de la investigación realizada. Respecto al problema de la transición de fases tipo sólido-líquido se concluyó que ésta tiene un comportamiento análogo a una transición de primer orden, que es mediada por el crecimiento en intensidad y tamaño de las fluctuaciones de densidad y de orden, donde además se pudo medir la meta-estabilidad del sistema. Respecto al problema de explosiones granulares que se dan en un medio bidisperso de masa que se encuentra segregado y sincronizado con el forzamiento, se observó el fenómeno con dos regímenes de explosiones; uno caracterizado por pequeñas fluctuaciones de densidad y energía en un medio poco segregado, que además es poco regular en el tiempo, y otro régimen que se da en un medio segregado que es más regular en intensidad y tiempo. Se caracterizó la relación entre la dinámica de cada partícula que permanece en un punto fijo rebotando sólo con velocidad perpendicular al comportamiento colectivo de desincronización en cadena de las partículas, donde las partículas adquieren velocidad horizontal, se desincronizan respecto al forzamiento y se pierde parcialmente la segregación. En el quinto capítulo se presentan las conclusiones de la tesis y algunas propuestas de trabajo futuro, temas que quedan pendientes a realizar y que sigan la línea de investigación. Finalmente, en los apéndices se presenta una breve descripción (i) la medida de altura de las celdas, (ii) los diagramas de Voronoi, (iii) técnica de medida a escala mesoscópica, (iv) el método de nivelación del montaje y (v) un artículo publicado referente a las explosiones granulares.

Ingeniero Civil / Las necesidades de crecimiento de áreas como minería y obras civiles han forzado el uso cada vez más frecuente de materiales con partículas de gran tamaño en la construcción de sus geo-estructuras. La caracterización mecánica de estos macro materiales se determina actualmente con ensayos triaxiales de gran escala, los cuales admiten probetas de hasta 100 cm x 180 cm, ensayos in-situ o utilizando técnicas de escalamiento que permiten ensayar probetas que contengan tamaños de partículas admisibles para equipos triaxiales convencionales. Como el uso de triaxiales de gran escala o ensayos in-situ son de alto costo, tiempo y esfuerzo, los ensayos a probetas escaladas se presentan como una alternativa factible y rentable para los diseños actuales de ingeniería. De acuerdo con estudios anteriores (Gesche, De La Hoz y Dorador entre otros), el método de curvas paralelas u homotéticas es la técnica de escalamiento que mejor puede replicar el comportamiento de un suelo granular grueso, sin embargo, debido a una serie de limitaciones del método (contenido de finos, efecto del escalamiento en la dureza y forma de las partículas entre otros), aún se estudia su validez como método de representación de la resistencia de macro materiales. Por lo anterior, se ha propuesto y desarrollado el siguiente trabajo de forma de ampliar el nivel de entendimiento y rango de aplicabilidad de este método. En el presente trabajo se utilizó un material proveniente de una cantera de mármol negro para estudiar la validez del método de las curvas homotéticas al realizar ensayos triaxiales CID a confinamientos de 5, 10 y 20 [kgf/cm2], en donde el tamaño medio de la muestra escalada es aproximadamente 36 veces menor que el de la muestra original. Se estudió como influye la magnitud del escalamiento y el nivel de confinamiento cuando se intenta replicar la resistencia máxima de un suelo granular mediante granulometrías paralelas. Los resultados obtenidos muestran que para replicar la resistencia máxima, el índice de vacíos de ensayo del material escalado debe ser mayor que el del suelo original en una magnitud que crecerá a medida que el nivel de confinamiento sea mayor.