Constitutive formulation and numerical validation of mechanical behavior of unsaturated soils

En este trabajo se presenta un modelo constitutivo elastoplástico para suelos parcialmente saturados. El modelo se formula en el marco general de la teoría de medios porosos y de la teoría del flujo de la plasticidad. La formulación constitutiva se basa en el conocido modelo de MRS Lade en el que se incorpora la succión como componente adicional independiente del estado de tensiones. Consecuentemente, las superficies de fluencia de cono y capa del modelo asi como la evolución de las variables internas de endurecimiento y ablandamiento muestran dependencias con el valor de la succión. Para el proceso de integración numérica de tensiones del modelo se propone el método de proyección al punto más cercano que es extendido en esta formulación para el caso de cuatro invariantes tensionales. Los resultados numéricos demuestran la capacidad de predicción del Modelo Extendido de MRS Lade para simular el comportamiento de los suelos parcialmente saturados tanto en régimen de prepico como en pospico bajo distintos niveles de saturación. Para la validación del modelo constitutivo formulado se realiza la simulación numérica de ensayos experimentales edométricos con succión controlada experimentales publicados por Gens et al 1 y ensayos de compresión triaxial convencional con succión controlada publicados por Macari et al 2.Peer Reviewe

Geotecnia para ingeniería civil y arquitectura

Los libros existentes no se adaptan a la docencia de la geotecnia que se desarrolla en las escuelas de ingeniería civil. Por otra parte los profesionales que requieren ampliar sus conocimientos de geotecnia no encuentran libros que les permitan recordar las enseñanzas adquiridas durante su etapa de estudio y, a su vez, las actualicen al nivel docente acrual. En ese trabajo se analiza esta situación y se sienta las bases para la redacción de un nuevo libro de geotecnia de utilidad para ingenieros civiles y arquitectos que dé soluciones a este problema. Además se plantea un metodología objetiva para preparar libros que se adapten a la realidad docente y laboral en otras disciplinas

Rotura de un talud en suelo no saturado por mojado. Modelación de un caso a escala.

Esta tesina consiste en la modelación de un suelo no saturado procedente de Cervinara, Italia. Este suelo es un material piroclástico con una gran porosidad y con una alta susceptibilidad al colapso. En algunos taludes de la región de Cervinara, los cuales están cubiertos por depósitos piroclásticos, se han producido varios deslizamientos superficiales al llover. Se realizaron ensayos de laboratorio y ensayos de infiltración sobre una pendiente a escala para estudiar el comportamiento del material y para permitir una posterior modelización que fuera capaz de predecir las condiciones de deslizamiento de los taludes. Esta Tesina presenta la modelización de los ensayos a escala mediante un único conjunto de parámetros calibrado a partir de los ensayos de laboratorio disponibles. Para la modelación se ha utilizado un modelo acoplado avanzado mediante un programa de elementos finitos: CODEBRIGHT (Olivella et al. 1996; DIT-UPC, 2010). El código resuelve problemas acoplados termo-hidro-mecánico (THM) en medios porosos deformables. Para describir el comportamiento del material piroclástico se ha utilizado el modelo constitutivo para suelos no saturados BBM (Alonso et al, 1990). Una vez hallados los parámetros mecánicos e hidráulicos mediante la información de laboratorio y la modelación de ensayos triaxiales y de compresión isótropa, se utilizan los parámetros para modelar ensayos de infiltración a escala y comparar los resultados con los ensayos de laboratorio. El objetivo de esta comparación es entender mejor el comportamiento del material y comprobar que el modelo constitutivo es capaz de reproducir los resultados de laboratorio. Una vez encontrados los valores de los parámetros mecánicos e hidráulicos, se ha realizado una predicción a ciegas del comportamiento del material con condiciones iniciales distintas. La principal ventaja de la modelización mediante elementos finitos es que cuando ya se tiene el modelo ajustado, se pueden simular ensayos de laboratorio ahorrando tiempo y diner

Evaluación del comportamiento cíclico ante licuación de arenas con inclusión de gas, generado a partir de oxidación de materia orgánica, bajo condiciones de movilidad cíclica

Desde el año de 1964 se lia venido estudiando el proceso de licuación en arenas y las formas para mitigar el potencial de licuación de dichos suelos. Grozic et al (1999) empieza a investigar el comportamiento de arenas sueltas con inclusión de gas ante licuación, a partir de esta investigación, se han desarrollado métodos para la generación de gas en muestras de arena como: inyección de COZ. electrólisis, biogás. etc. En el año 2017 con la investigación de Cristancho et al. (2017) se desarrolló tm método para la generación de gas por medio de una reacción química que consiste en la oxidación de materia orgánica, la cual libera COi. Este método fue utilizado en esta investigación para producir ensayos triaxiales cíclicos con gas; se ejecutaron 3 ensayos triaxiales cíclicos a muestras saturadas y 3 ensayos triaxiales cíclicos a muestras con gas. el objetivo file comprar el numero de ciclos que se requiere para iniciar el proceso de licuación. Los resultados de los ensayos muestran que al desaturar el material ligeramente mediante la técnica de oxidación de materia orgánica hay un aumento significativo en el número de ciclos que se requiere para iniciar el proceso de licuación, además se evidenció, que una pequeña cantidad de materia orgánica puede generar una cantidad significativa de gas al mezclarse con peróxido de hidrogeno. Otro hallazgo muestra que la materia orgánica no se la puede eliminar completamente; a pesar de que la arena fue sometida a un tratamiento de lavado con peróxido de hidrógeno a una concentración del 30% y calcinada a 420°C: únicamente se logró eliminar aproximadamente el 90% de material orgánica.Since 1964. the liquefaction process has been studied in sands and ways to mitígate the liquefaction potential of these soils. Grozic et al (1999) begins to investígate liquefaction behavior of loo se gassy sands. Based on this research. methods have been developed for gas generation in sand sainples such as: CO2 injection. electrolysis. biogas. etc. Framework by Cristancho et al. (2017) developed a method for gas generation that consist in a Chemical reaction due to the oxidation of organic matter, which produce COi. This inethod was used in this investigation to produce cyclic triaxial gas test. Three cyclic triaxial tests were perfomied on saturated s ampies and three cyclic triaxial tests on gas sampies, the objective was compared the nuiuber of cycles reqtured to trigger the liquefaction process. The tests results show that when the material is desanirated slightly, there is a significant increase in the number of cycles required to trigger the liquefaction process. It also showed that a small ainount of organic matter can generate a significant amount of gas when mixed with hydrogen peroxide. Another finding shows that organic matter cannot be eliminated completely; although the sand was subjected to a washing treatment with hydrogen peroxide at a concentration of 30% and calcined a: 420 0 C; only 90% of organic material was removed.Magíster en Ingeniería CivilMaestrí

Diferentes ecuaciones de falla al cortante en suelos pumíticos no saturados

Se realizaron pruebas de corte directo en suelos pumíticos que representan a la gran mayoría de los suelos (depósitos piroclásticos) de la Zona Metropolitana de Guadalajara. Dichos suelos están conformados por arenas limosas y cenizas provenientes de la actividad volcánica reciente (geológicamente hablando) en el valle de Atemajac. Para las pruebas de corte directo se utilizaron gráficas esfuerzo cortante vs esfuerzo normal y se resolvió trabajar con cuatro variables independientes: granulometría (D10 y % Que pasa malla No.200), contenido de agua (w), densidad y esfuerzo efectivo. De este modo las variables dependientes resultan ser: esfuerzo cortante, ángulo de fricción y cohesión

Análisis teórico, numérico y experimental del comportamiento de suelos en el rango de las pequeñas deformaciones

A consecuencia de los actuales estándares en la práctica de la ingenieríá geotécnica, el rango de las pequeñas deformaciones ha pasado a ser un rango de deformaciones habitual en gran cantidad de problemas, especialmente en aquellos que se desarrollan en ámbitos urbanos. En el presente trabajo se estudia el comportamiento del suelo en este rango de deformaciones. Ello se hace a través del análisis de los desplazamientos del terreno generados en una gran excavación urbana en La Sagrera (Barcelona), que se monitorizan mediante extensómetros instalados en el vaso de la excavación. Los mecanismos que se proponen para explicar los desplazamientos registrados son la no linealidad constitutiva y el comportamiento histerético del terreno en el rango de las pequeñas deformaciones, la existencia de estratos de terreno de baja permeabilidad y el efecto de la retracción por desecación en el suelo. Se revisa el marco de las principales teorías elásticas no lineales y de las principales teorías que permiten reproducir el comportamiento histerético del terreno. Asimismo, se revisa el marco teórico del comportamiento hidromecánico en suelos parcialmente saturados. Se analizan, desde un punto de vista teórico, los modelos “Small Strain Overlay Model” de Benz (2007) y “Hardening Soil-Small” de Benz (2007). Por otro lado, se analiza, desde un punto de vista numérico, el modelo “Hardening Soil with Small Strain Stiffness”, basado en los dos anteriores e implementado en el programa comercial de elementos finitos Plaxis. Durante el estudio de estos modelos, se ha detectado un conjunto de inconsistencias teóricas, algorítmicas y numéricas en los mismos, que se exponen extensamente. Para simular numéricamente la gran excavación urbana de La Sagrera, se utiliza por un lado el modelo “Hardening Soil with Small Strain Stiffness” de Plaxis, y por otro lado el modelo “Barcelona Basic Model”,implementado en Code Bright. Para validar los parámetros de especial relevancia que se utilizan en las simulaciones numéricas, como son los que controlan la degradación elástica y el comportamiento volumétrico del suelo con la desecación, se ha propuesto realizar diversos ensayos. Durante la elaboración del presente documento, se han finalizado los ensayos de columna resonante sobre probetas talladas a partir de muestras bloque, extraídas del vaso de la excavación. Los resultados obtenidos en las simulaciones numéricas realizadas indican que los mecanismos propuestos son capaces de explicar, de forma satisfactoria, el comportamiento observado en el terreno durante la excavación

Efecto de las condiciones iniciales de compactación dinámica en la presión de preconsolidación de un suelo

El objetivo principal de esta investigación se centra en el estudio del comportamiento mecánico de un suelo compactado, con especial énfasis en la caracterización del parámetro de la presión de preconsolidación en estado saturado. Los cambios en las condiciones iniciales como la humedad inicial y la energía de compactación tienen una significativa influencia en ese comportamiento. Para lograr este propósito se definió un programa de laboratorio por medio de un equipo triaxial con ensayos de consolidación isotrópica en condiciones drenadas, que permitió determinar este parámetro para distintas condiciones iniciales de compactación. Para la investigación se seleccionó un limo de baja plasticidad proveniente del terraplén experimental de Rouen en Francia, el cual ha sido objeto de estudios previos en el área del comportamiento volumétrico de los suelos no saturados. Con este material denominado A−28 se fabricaron muestras por medio de la compactación dinámica a través de diferentes energías de Proctor. La medida de la succión total de las probetas se realizó después de la compactación por medio de un tensiómetro. Las probetas fueron sometidas inicialmente a una etapa de saturación bajo carga isótropa, con medida de la permeabilidad saturada, y luego consolidadas hasta alcanzar una carga isótropa suficientemente alta para definir claramente la presión de preconsolidación

Triaxial verdadero con succión controlada: ensayos y modelación

El presente trabajo de investigación se centra en el estudio tanto experimental como numérico de la respuesta de suelos no saturados ensayados en un aparato triaxial verdadero con succión controlada. En primer lugar, se realizó una revisión bibliográfica en el estado del conocimiento de los principales equipos utilizados en la actualidad para estudiar el efecto de la tensión intermedia en caminos a succión controlada y se escogió el modelo numérico para interpretar los datos. Los ensayos se modelaron como problemas de contorno mediante el programa Elementos Finitos acoplado (termo-)hidro-mecánico Code_bright, que considera una implementación visco-plástica del modelo constitutivo básico de Barcelona (BBM). Para realizar la parte experimental se ha utilizado un equipo de laboratorio llamado triaxial cúbico desarrollado en de la Universidad de Texas at Arlington, entre cuyas características tiene la particularidad de permitir el control simultáneo de los esfuerzos principales (esfuerzos principales menores, intermedio y mayor), las deformaciones principales y la aplicación y control del estado de succión matricial en el suelo a ensayar. En una primera etapa la muestra cúbica se llevó a un estado de esfuerzos bajo equilibrio hidrostático (HC). A continuación, la muestra se sometió a una trayectoria de esfuerzos de compresión confinada (CTC) hasta lograr un estado crítico incipiente, inmediatamente seguido por una descarga monotónica. Posteriormente, la misma muestra se volvió a equilibrar hidrostáticamente (HC) bajo un mayor esfuerzo isotrópico y, finalmente, sometida a una trayectoria de esfuerzos de compresión con tensión neta media constante (TC). En todo el transcurso del ensayo, la succión matricial se mantuvo constante (s=50 kPa) mediante la técnica de traslación de ejes. Finalizada la etapa experimental se realizó la modelación numérica con la cual se pretendió evaluar la capacidad del modelo numérico para predecir la respuesta de una muestra de suelo bajo diferentes trayectorias de esfuerzos aplicados con succión controlada. Para este propósito se modeló la respuesta obtenida en el laboratorio tanto para la presente investigación como para otros resultados de diferentes autores obtenidos en la literatura. La respuesta general de las comparaciones entre el modelo numérico y los ensayos experimentales, ha llegado a una aproximación razonable. Las discrepancias observadas entre las predicciones del modelo y los resultados de los ensayos podrían deberse a la anisotropía inducida por la compactación estática en condiciones de deformación lateral nula

Materiales yesíferos y su eventual utilización como relleno enterraplenes

La utilización de materiales yesíferos en la construcción de terraplenes suele ser rechazada, debido a las incertidumbres existentes respecto a su comportamiento inapropiado originado por las deformaciones a largo plazo, causadas por las características físicas y químicas del material, por su solubilidad y por las posiblesexpansiones o colapsos de la estructura del suelo. En este artículo se incluye un resumen de las principales propiedades químicas de los materiales yesíferos, los resultados de un estudio experimental y algunas recomendaciones para su eventual utilización en la construcción de terraplenes. La etapa experimental se realizó con arcilla yesífera, yeso arcilloso y glauberita; con cada una de las muestras se realizaron pruebas de compactación Proctor Normal y Proctor Modificado con probetas cuyas condiciones de humedad y densidad seca se ubicaban sobre cada una de las curvas de compactación; se estudió el comportamiento esfuerzo-deformación tiempo, el potencial expansivo, el colapso de la estructura y la rotura de partículas

Cuantificación de la influencia del grado de saturación en la resistencia a la compresión uniaxial de una arenisca

Resumen: Con el uso de las teorías de suelos no saturados se obtuvo la curva de correlación entre la resistencia a la compresión simple y el grado de saturación de una arenisca procedente del municipio de Sopetrán, departamento de Antioquia. Los grados de saturación que se trataron de evaluar fueron 0, 0.3, 0.8 y mayor e igual a 0.97, los cuales se determinaron a partir de la relación entre el grado de saturación y la contrapresión aplicada durante un proceso de saturación de cuerpos de prueba de la arenisca dentro de una celda de ensayos de resistencia mecánica a compresión triaxial axisimétrica. La metodología sugerida en la presente tesis sólo es aplicable en geomateriales conformados por arena o en aquellos donde la succión se pueda considerar despreciable para efectos prácticos. Entre los principales resultados se observó una reducción de la resistencia a la compresión simple de aproximadamente 75 % para los cuerpos de prueba con saturaciones mayores o iguales a 0.97 con respecto a los cuerpos de prueba en estado seco, además de una disminución del ángulo de fricción interna del 40 % para el mismo caso. Fue posible determinar que dicha disminución de propiedades mecánicas es causada por la disminución en la capacidad de dilatación de la arenisca cuando se aumenta el grado de saturación.Abstract: By employing theories of unsaturated soils it was obtained the correlation curve between unconfined compressive strength and the degree of saturation of sandstone from the municipality of Sopetran, Antioquia. The degrees of saturation assessed were 0, 0.3, 0.8 and greater and equal to 0.97, which were determined from the relationship between the degree of saturation and the back pressure, all of them applied during the process of saturation of sandstone samples by a standard test under axisymmetric triaxial compression. The methodology proposed in this thesis is applicable only for geomaterials formed by sand or for those where suction can be considered negligible for practical purposes. Reduction of unconfined compressive strength in saturated state of approximately 75 % from the dry state was observed, along with a decrease of the angle of internal friction of 40 % for the same case. It was possible to determine that the decrease of mechanical properties is caused by the decrease in the dilatation capacity of the sandstone when the saturation is increased.Maestrí