Influencia de la relación de vacíos y el confinamiento en la licuación estática en taludes de arena de Changi

A numerical study on the onset of static liquefaction in slopes under undrained conditions of loading was developed based on a general liquefaction flow instability criterion for elastoplastic soils based on the concept of loss of controllability. The criterion is applied to the case of axisymmetric loading to detect the onset of static liquefaction. The criterion is used in conjunction with an elastoplastic model for sands and is tested by means of numerical simulations of element tests. The numerical results are compared with experimental evidence obtaining good agreement. A quantitative study of the influence of the mean pressure, void ratio and the anisotropy of stress on the onset of static liquefaction is presented for the Changi sand. From the analysis of the numerical results, it can be concluded that: a. the mobilized friction angle at the onset of liquefaction is not an intrinsic property of the material, but is a state variable b. Despite of the multiple variables involved in the process of generation of undrained instability, the state of stresses at the onset of static liquefaction can be conveniently represented by a linear relation between Dq/po and no . This graphical representation can be used in the practice of geotechnical engineering to quantify the margin of security against the static liquefaction of a sandy slope.Se presenta un estudio numérico del inicio de la licuación estática en taludes, bajo condiciones no drenadas de carga, basado en un criterio de inestabilidad general para suelos elastoplás-ticos, fundamentado en el concepto de pérdida de controlabilidad. Se aplica el criterio al caso de carga axisimétrica, para detectar el punto de inicio de licuación con un modelo elastoplástico para arenas. Se comparan los resultados numéricos con evidencia experimental, encontrando un buen nivel de concordancia. Se presenta un estudio cuantitativo de la influencia de la presión media, relación de vacíos y la anisotropía inicial de esfuerzos sobre el inicio de la licuación en la arena de Changi. Se concluye que: a) el ángulo de fricción movilizado al inicio de la licuación no es una propiedad del material, sino que es una variable de estado; b) a pesar de las múltiples variables involucradas en el proceso de generación de inestabilidad no drenada, el estado de esfuerzos en el inicio de la licuación estática se puede representar convenientemente por una relación lineal entre Aq/p0 y r|0. Esta representación gráfica se puede usar en la práctica de la ingeniería geotécnica para cuantificar un margen de seguridad contra licuación estática de un talud arenoso

Bases para el análisis de confabilidad de fujos de material desagregado

Como una forma alternativa a los métodos convencionales para realizar análisis de estabilidad de taludes usando la teoría de equilibrio límite, este artículo hace uso de un procedimiento para simular fujos de material desagregado que parte desde la mecánica de medios continuos (perspectiva Euleriana), conservación de masa y momentum. Ésta metodología supone el comportamiento de una mezcla de fuido Newtoniano y sólido cuya interacción friccional es representada por la ley de resistencia de Coulomb. La ecuación de momentum es simplifcada para un caso idealizado de forma tal que permite generar una solución analítica de la velocidad y el desplazamiento del centro de masa. Este tipo de aproximaciones permite tener en cuenta el modo de deformación que se observa en campo en los deslizamientos superfciales, a diferencia de los métodos convencionales basado en equilibrio límite (dovelas – talud infnito), donde la suposición es de movimiento de cuerpo rígido. La solución analítica entrega las bases para ser usada como insumo para estimar el nivel de exposición a través la forma como varía la probabilidad de ocurrencia de un nivel de velocidad del fujo de material desagregado en función de la distancia de la fuente del material.  As an alternative to conventional methods for slope stability analysis using limit equilibrium theory, this paper uses a method to simulate material flows disrupted arising from the continuum mechanics (Eulerian perspective),conservation mass and momentum, proposed by Iverson and Denlinger (2001a). This procedure involves the behavior of a mixture of solid and Newtonian fluid whose interaction is represented by frictional resistance law of Coulomb. The momentum equation is simplified for an idealized case in order to obtain an analytical solution to generate the velocity and displacement of the center of mass. This type of approach allows taking into account the mode of deformation observed in field, unlike conventional methods based on equilibrium limit (slices – infinite slope), where the assumption is rigid body motion. The analytical solution is used as the basis for estimate the exposure of infrastructure within the framework of analysis based on reliability. The results show how varies the conditional probability of occurrence of a velocity depending on the distance of the source material

Integración de la incertidumbre natural temporal y espacial asociada al coeficiente de rugosidad Manning en modelos bidimensionales de inundaciones rápidas

Context: The natural spatial and temporal variability (uncertainty) of the inputs involved in hydrodynamic modeling for hazard assessment and delineation of potentially flood-prone areas is propagated in the output variables of the models. In normal practice, only natural temporal variability in terms of return period is usually considered, but the propagation of spatial uncertainty is unknown. Methodoly: This paper presents the analysis of uncertainty propagation using the first order second moment method of Manning’s roughness coefficient in the depth, velocity and flow intensity output variables of the numerical shallow water model implemented in HEC RAS 2D. A simulated flash flood in the municipality of Mocoa (Putumayo) and the corresponding probability of reaching a damage level for different return periods were analyzed, regarding the events occurred in March 2017. Results: A procedure applicable to flood hazard assessment is obtained where the temporal natural variability associated to hydrographs with different return periods and the spatial natural variability associated to the Manning’s roughness coefficient are integrated. Conclusions: The propagation of uncertainty was able to establish a direct relationship between the increase of flow (return periods) and the increase of uncertainty in the evaluation of the flood hazard indicator.  Contexto: La variabilidad natural (incertidumbre) espacial y la temporal de los insumos que intervienen en la modelación hidrodinámica, para la evaluación de la amenaza y la delimitación de las zonas potencialmente inundables, se propagan en las variables de salida de los modelos. En la práctica, suele considerarse la variabilidad natural temporal en términos de periodo de retorno, pero poco se ha analizado la propagación de la incertidumbre espacial del coeficiente de rugosidad. Metodología: En este trabajo se presenta el análisis de la propagación de la incertidumbre a través del método primer orden segundo momento del coeficiente de rugosidad de Manning, en las variables de salida de profundidad, velocidad e intensidad de flujo del modelo numérico de aguas someras, implementado en HEC RAS 2D. Se analizó una inundación súbita simulada en el municipio de Mocoa (Putumayo) y la correspondiente probabilidad de alcanzar un nivel de daño para diferentes periodos de retorno, a propósito de los eventos ocurridos en marzo de 2017. Resultados: Se obtiene un procedimiento aplicable a la evaluación de la amenaza de inundación, en el que se integra la variabilidad natural temporal asociada a las hidrógrafas con diferentes periodos de retorno, y la variabilidad natural espacial relacionada con el coeficiente de rugosidad de Manning. Conclusiones: La propagación de la incertidumbre establece una relación directa entre el aumento del caudal (periodos de retorno) y el aumento de la incertidumbre en la evaluación del indicador de amenaza por inundación

Modelos para simulación de procesos de remoción en masa desagregados. Comparación con el método de talud infinito

As an option against typical methods for slope stability analysis, this paper implements a procedure to model material flows from continuum mechanics (Eulerian approach), proposed by Iverson and Denlinger [1]. This methodology involves the behavior of a Newtonian fluid-and-solid mixture whose friction interaction is denoted by the Coulomb law. The momentum equation is simplified in such a way that generates an analytic solution, which was used to perform a sensitivity analysis. The sensitivity analysis shows the most relevant parameters in the model, i.e. slope angle, bedrock friction angle and pore pressure fraction, which govern the slope stability. As a further advantage compared against typical methods of slope stability based on limit equilibrium, the method implemented takes into account not only the field deformation mode but the safety factor, and most importantly, calculates the speed of the sliding mass and distance covered. The results may be used as a partial input to assess both hazard and vulnerability probabilistic of infrastructure impacted by a disrupted material flow.Como una forma alternativa a los métodos convencionales para analizar la estabilidad de taludes, este artículo implementa un procedimiento para modelar los flujos de material desagregado que parten de la mecánica de medios continuos (perspectiva Euleriana), propuesta por Iverson y Delinger [1]. Esta metodología supone el comportamiento de una mezcla de fluido newtoniano y sólido cuya interacción friccional se representa por la ley de fricción de Coulomb. La ecuación de momentum es simplificada de tal forma que permite generar una solución analítica, a la cual se le hizo un análisis de sensibilidad. Los resultados del análisis de sensibilidad muestran que los parámetros que más influyen en el modelo son: el ángulo de talud, el ángulo de fricción del lecho y la fracción de presión de poros, que a su vez, determinan la estabilidad del talud. Como ventaja adicional a los métodos usuales de estabilidad de taludes basados en equilibrio límite, el método implementado además de tener en cuenta el modo de deformación en campo, entrega el factor de seguridad, y lo más importante, calcula la velocidad de la masa deslizada y la distancia que recorre. Los resultados se pueden utilizar como insumo parcial para evaluar tanto la amenaza probabilística como la vulnerabilidad de infraestructura afectada por flujo de material desagregado

Bases para el análisis de confabilidad de fujos de material desagregado

Como una forma alternativa a los métodos convencionales para realizar análisis de estabilidad de taludes usando la teoría de equilibrio límite, este artículo hace uso de un procedimiento para simular fujos de material desagregado que parte desde la mecánica de medios continuos (perspectiva Euleriana), conservación de masa y momentum. Ésta metodología supone el comportamiento de una mezcla de fuido Newtoniano y sólido cuya interacción friccional es representada por la ley de resistencia de Coulomb. La ecuación de momentum es simplifcada para un caso idealizado de forma tal que permite generar una solución analítica de la velocidad y el desplazamiento del centro de masa. Este tipo de aproximaciones permite tener en cuenta el modo de deformación que se observa en campo en los deslizamientos superfciales, a diferencia de los métodos convencionales basado en equilibrio límite (dovelas – talud infnito), donde la suposición es de movimiento de cuerpo rígido. La solución analítica entrega las bases para ser usada como insumo para estimar el nivel de exposición a través la forma como varía la probabilidad de ocurrencia de un nivel de velocidad del fujo de material desagregado en función de la distancia de la fuente del material.  As an alternative to conventional methods for slope stability analysis using limit equilibrium theory, this paper uses a method to simulate material flows disrupted arising from the continuum mechanics (Eulerian perspective),conservation mass and momentum, proposed by Iverson and Denlinger (2001a). This procedure involves the behavior of a mixture of solid and Newtonian fluid whose interaction is represented by frictional resistance law of Coulomb. The momentum equation is simplified for an idealized case in order to obtain an analytical solution to generate the velocity and displacement of the center of mass. This type of approach allows taking into account the mode of deformation observed in field, unlike conventional methods based on equilibrium limit (slices – infinite slope), where the assumption is rigid body motion. The analytical solution is used as the basis for estimate the exposure of infrastructure within the framework of analysis based on reliability. The results show how varies the conditional probability of occurrence of a velocity depending on the distance of the source material

Quantitative analysis on the geomorphology influence in slope stability

La ocurrencia de deslizamientos está relacionada con unos factores que condicionan y otros que detonan los procesos de remoción en masa. Este trabajo contribuye a cuantificar la influencia de la geomorfología en la estabilidad de taludes como factor condicionante por medio de un análisis basado en el método de elementos finitos con un modelo constitutivo elastoplástico. Los análisis se realizaron a través de la simulación numérica de 9 modelos de taludes en tres dimensiones. Se obtuvo la variación espacial del tensor de esfuerzos y sus componentes por medio de las invariantes donde se refleja la influencia de la geoforma y el régimen de flujo en la estabilidad. Finalmente se calcula un indicador de falla potencial que cuantifica de manera unificada la influencia del esfuerzo de confinamiento y los esfuerzos de corte en el talud para determinar zonas de mayor susceptibilidad a la falla.Landslide occurrence is associated with some conditioning factors and triggering landslide processes. This research contributes to quantify the influence of geomorphology as a conditioning factor in slope stability, via analysis based on a finite element method with an elastoplastic constitutive model. The analysis performs through a numerical simulation with nine three-dimensional slope models. The spatial variation of the stress tensor and its components were obtained by the invariants that reflect the influence of the geoform and flow regime in slope stability. Finally, the authors calculated an index potential failure that quantifies, in a unified manner, the influence of the confinement pressure and shear stress in the slope to determine a susceptibilty failure area

Finite Element Analysis Using a Cosserat Linear Elastic Continuum

RESUMEN: Contexto: Los resultados experimentales en materiales granulares muestran que el comportamiento esfuerzo deformación tiene dependencia con la escala de análisis, sin embargo, debido a las supocisiones intrínsecas que tiene la mecánica del medio continuo, los análisis de elementos finitos basados en el continuo de Boltzmann no permite tener en cuenta longitudes características en su formulación que refleje la escala. Método: En este trabajo se presenta la formulación especializada de los elementos finitos para un problema de deformación plana para el continuo de Cosserat. Se presentan los grados de libertad de un elemento finito cuadrilatero y se deduce el operador diferencial para obtener el vector de deformación, su función de forma, la matriz de interpolación, la matriz de rigidez y el vector de fuerza nodal. Finalmente se implementa el continuo de cosserat con el elemento descrito en un programa de elementos finitos codificado por los autores. El programa se ejecuta para resolver el problema de esfuerzos y deformaciones en una capa homogenea de material con comportamiento lineal elástico. Resultados: Se obtiene las diferencias entre los componentes de esfuerzos y deformaciones de corte entre el continuo convencional y el de Cosserat junto con la aparición de momentos a nivel de punto de Gauss. Conclusiones: La deducción e implementación del continuo de Cosserat permite un análisis de elementos finitos alternativo al del continuo Convencional con la posibilidad de introducir una longitud característica en su formulación para tener en cuenta los efectos de escala y rotaciones que se observan en materiales granulares.ABSTRACT: Context: Experimental results show that the stress-strain behavior of granular materials depends upon the scale analysis. However, due to the intrinsic assumptions of the mechanics of a continuum medium, the analysis of finite elements based on the Boltzmann´s continuum does not allow to consider characteristic lengths in its formulation to reflect the scale effect. Method: This work presents a finite element formulation to analyze plane-strain linear problems using the Cosserat continuum. The degrees of freedom of a four-node quadrilateral finite element are presented and the differential operator is derived to obtain the deformation vector, function form, interpolation matrix, stiffness matrix and nodal load vector. Finally, the Cosserat continuum with the aforementioned element is implemented in a finite element software coded by the authors. The software is used to solve a stress-strain problem of a homogeneous layer with a linear elastic behavior. Results: The differences of the stress and shear strain responses between the conventional and the Cosserat continuum along with the moments acting at the Gauss point level are obtained. Conclusions: The derivation and implementation of the Cosserat continuum provides an alternative finite element analysis to the conventional continuum, along with the advantage of introducing a characteristic length in the formulation to account for the scale effects and rotations observed in granular materials

Análisis de elementos finitos con un continuo elástico lineal tipo Cosserat

Contexto: Los resultados experimentales en materiales granulares muestran que el comportamiento esfuerzo deformación tiene dependencia con la escala de análisis, sin embargo, debido a las supocisiones intrínsecas que tiene la mecánica del medio continuo, los análisis de elementos finitos basados en el continuo continuo de Boltzmann no permite tener en cuenta longitudes características en su formulación que refleje la escala.Método: En este trabajo se presenta la formulación especializada de los elementos finitos para un problema de deformación plana para el continuo de Cosserat. Se presentan los grados de libertad de un elemento finito cuadrilatero y se deduce el operador diferencial para obtener el vector de deformación, su función de forma, la matriz de interpolación, la matriz de rigidez y el vector de fuerza nodal. Finalmente se implementa el continuo de cosserat con el elemento descrito en un programa de elementos finitos codificado por los autores.  El programa se ejecuta para resolver el problema de esfuerzos y deformaciones en una capa homogenea de material con comportamiento lineal elástico.Resultados: Se obtiene las diferencias entre los componentes de esfuerzos y deformaciones de corte entre el continuo convencional y el de Cosserat junto con la aparición de momentos  a nivel de punto de Gauss.Conclusiones: La deducción e implementación del continuo de Cosserat permite un análisis de elementos finitos alternativo al del continuo Convencional con la posibilidad de introducir una longitud característica en su formulación para tener en cuenta los efectos de escala y rotaciones que se observan en materiales granulares.Contexto: Los resultados experimentales en materiales granulares muestran que el comportamiento esfuerzo deformación tiene dependencia con la escala de análisis, sin embargo, debido a las supocisiones intrínsecas que tiene la mecánica del medio continuo, los análisis de elementos finitos basados en el continuo continuo de Boltzmann no permite tener en cuenta longitudes características en su formulación que refleje la escala.Método: En este trabajo se presenta la formulación especializada de los elementos finitos para un problema de deformación plana para el continuo de Cosserat. Se presentan los grados de libertad de un elemento finito cuadrilatero y se deduce el operador diferencial para obtener el vector de deformación, su función de forma, la matriz de interpolación, la matriz de rigidez y el vector de fuerza nodal. Finalmente se implementa el continuo de cosserat con el elemento descrito en un programa de elementos finitos codificado por los autores.  El programa se ejecuta para resolver el problema de esfuerzos y deformaciones en una capa homogenea de material con comportamiento lineal elástico.Resultados: Se obtiene las diferencias entre los componentes de esfuerzos y deformaciones de corte entre el continuo convencional y el de Cosserat junto con la aparición de momentos  a nivel de punto de Gauss.Conclusiones: La deducción e implementación del continuo de Cosserat permite un análisis de elementos finitos alternativo al del continuo Convencional con la posibilidad de introducir una longitud característica en su formulación para tener en cuenta los efectos de escala y rotaciones que se observan en materiales granulares

Effect of gas on shear wave velocity of sandy soils densified with explosives

RESUMEN: Contexto: Los ensayos de velocidad de onda de corte (Vs), son comúnmente utilizados para estimar el incremento en resistencia de suelos densificados con explosivos. En algunos casos históricos los ensayos de Vs realizados después del proceso de mejoramiento de suelo no muestran un incremento significativo en la resistencia del suelo, aun cuando la superficie del terreno se asienta más de 0,50 m. Se cree que esta respuesta se debe a la presencia de gas en la masa de suelo. Método: En este trabajo se presentan los resultados de ensayos triaxiales monotónicos realizados en muestras de suelos arenosos gaseosos medianamente densos, para evaluar el efecto del gas ocluido en la respuesta a la velocidad de onda de corte en arenas densificadas con explosivos. Muestras de arena fueron recolectadas de un depósito de arena suelta localizado in Carolina del Sur, Estados Unidos, y el cual fue densificado in situ con explosivos. Las muestras fueron consolidadas a las condiciones de esfuerzo efectivo in situ, las cuales se consideran representativas de las condiciones de esfuerzo en el momento de realizar la densificación con explosivos. Resultados: Los resultados de los ensayos triaxiales, realizados bajo condiciones no-drenadas globales, mostraron que, independientemente de la densidad de la muestra, el gas hace que los valores de velocidad de onda de corte obtenidos para las arenas gaseosas se aproximen a los valores de velocidad de onda de corte obtenidos en las muestras saturadas ensayadas bajo condiciones drenadas. Además, este comportamiento tiende a ser más pronunciado a medida que el suelo es más denso. Conclusiones: Esta respuesta podría ofrecer algunas luces sobre porqué la velocidad de corte no se incrementa significantemente en suelos densificados con explosivos aun cuando la densidad se incrementa considerablemente.ABSTRACT: Context: Shear wave velocity tests (Vs) are commonly used to estimate the increase in resistance of explosive densified soils. In some historical cases, Vs tests performed after the soil improvement process do not show a significant increase in soil resistance, even though the soil surface sits more than 0.50 m. It is believed that this response is due to the presence of gas on the soil mass. Method: This paper presents the results of monotonic triaxial tests performed on samples of dense gaseous sandy soils to evaluate the effect of occluded gas on the response to the shear wave velocity in densified sands with explosives. For sand sampling, it was collected from a loose sand deposit located in South Carolina, USA. These samples were densified in-situ with explosives, and consolidated to the insitu effective stress conditions, which are considered representative in the conditions of effort at the moment of the densification with explosives. Results: Triaxial tests were performed under global non-drained conditions. The results of these tests show that gas causes the shear wave velocity values obtained for the gaseous sands to approximate the shear wave velocity values obtained in the saturated samples tested under drained conditions. In addition, behavior tends to be more pronounced as the soil is denser. Conclusions: These response may offer some insights as to why the shear wave velocity does not increase significantly in densified soils with explosives, even though the density increases considerably

Efecto del gas en la velocidad de onda de corte de suelos arenosos densificados con explosivos

Context: Shear wave velocity tests (Vs) are commonly used to estimate the increase in resistance of explosive densified soils. In some historical cases, Vs tests performed after the soil improvement process do not show a significant increase in soil resistance, even though the soil surface sits more than 0.50 m. It is believed that this response is due to the presence of gas on the soil mass.Method: This paper presents the results of monotonic triaxial tests performed on samples of dense gaseous sandy soils to evaluate the effect of occluded gas on the response to the shear wave velocity in densified sands with explosives. For sand sampling, it was collected from a loose sand deposit located in South Carolina, USA. These samples were densified in-situ with explosives, and consolidated to the in-situ effective stress conditions, which are considered representative in the conditions of effort at the moment of the densification with explosives.Results: Triaxial tests were performed under global non-drained conditions. The results of these tests show that gas causes the shear wave velocity values obtained for the gaseous sands to approximate the shear wave velocity values obtained in the saturated samples tested under drained conditions. In addition, behavior tends to be more pronounced as the soil is denser.Conclusions: These response may offer some insights as to why the shear wave velocity does not increase significantly in densified soils with explosives, even though the density increases considerably.Contexto: Los ensayos de velocidad de onda de corte (Vs), son comúnmente utilizados para estimar el incremento en resistencia de suelos densificados con explosivos. En algunos casos históricos los ensayos de Vs realizados después del proceso de mejoramiento de suelo no muestran un incremento significativo en la resistencia del suelo, aun cuando la superficie del terreno se asienta más de 0,50 m. Se cree que esta respuesta se debe a la presencia de gas en la masa de suelo.Método: En este trabajo se presentan los resultados de ensayos triaxiales monotónicos realizados en muestras de suelos arenosos gaseosos medianamente densos, para evaluar el efecto del gas ocluido en la respuesta a la velocidad de onda de corte en arenas densificadas con explosivos. Muestras de arena fueron recolectadas de un depósito de arena suelta localizado in Carolina del Sur, Estados Unidos, y el cual fue densificado in situ con explosivos. Las muestras fueron consolidadas a las condiciones de esfuerzo efectivo in situ, las cuales se consideran representativas de las condiciones de esfuerzo en el momento de realizar la densificación con explosivos.Resultados: Los resultados de los ensayos triaxiales, realizados bajo condiciones no-drenadas globales, mostraron que, independientemente de la densidad de la muestra, el gas hace que los valores de velocidad de onda de corte obtenidos para las arenas gaseosas se aproximen a los valores de velocidad de onda de corte obtenidos en las muestras saturadas ensayadas bajo condiciones drenadas. Además, este comportamiento tiende a ser más pronunciado a medida que el suelo es más denso.Conclusiones: Esta respuesta podría ofrecer algunas luces sobre porqué la velocidad de corte no se incrementa significantemente en suelos densificados con explosivos aun cuando la densidad se incrementa considerablemente.