Aspectos Fundamentales del Comportamiento de Suelos Granulares R. Cudmani
Universidad de Karlsruhe Instituto de Mecánica de Suelos y Mecánica de Rocas
Contenido 1. Introducción 2. Estado del Suelo
Introducción l
l
Naturaleza de los suelos à agregados de partículas Naturaleza de la deformaci deformació ón de suelos suelos:: producto de la interacci interacció ón entre las part partíículas
3. Definiciones 4. Comportamiento Comportamiento drenado – drenado – monotónico monotónico 5. Comportamiento Comportamiento no drenadodrenadomonotónico monotónico 6. Comportamiento Comportamiento drenado – drenado – cíclico 7. Comportamiento noComportamiento nodrenado cíclico 8. Conclusiones
Ø
Deformación de las part Deformació partíículas individuales
Ø
Deformación de los contactos entre partículas
Ø
Trituración de las part Trituració partíículas
Ø
Deslizamiento relativo entre las partículas
Relación tensi Relació tensió ón-deformaci deformació ón de suelos à depende de las propiedades granulométricas, es no lineal e irreversible l
Influencia del fluido en los poros en el comportamiento del suelo Ø
Interacción qu Interacció quíímica à constituyentes qu quíímicos del fluido
Ø
Flujo estacionario del fluido
Ø
Flujo transiente del fluido (consolidaci consolidació ón)
Contenido 1. Introducción 2. Estado del Suelo
Introducción l
l
Naturaleza de los suelos à agregados de partículas Naturaleza de la deformaci deformació ón de suelos suelos:: producto de la interacci interacció ón entre las part partíículas
3. Definiciones 4. Comportamiento Comportamiento drenado – drenado – monotónico monotónico 5. Comportamiento Comportamiento no drenadodrenadomonotónico monotónico 6. Comportamiento Comportamiento drenado – drenado – cíclico 7. Comportamiento noComportamiento nodrenado cíclico 8. Conclusiones
Ø
Deformación de las part Deformació partíículas individuales
Ø
Deformación de los contactos entre partículas
Ø
Trituración de las part Trituració partíículas
Ø
Deslizamiento relativo entre las partículas
Relación tensi Relació tensió ón-deformaci deformació ón de suelos à depende de las propiedades granulométricas, es no lineal e irreversible l
Influencia del fluido en los poros en el comportamiento del suelo Ø
Interacción qu Interacció quíímica à constituyentes qu quíímicos del fluido
Ø
Flujo estacionario del fluido
Ø
Flujo transiente del fluido (consolidaci consolidació ón)
contactos
partículas partí culas de suelo
Transm Tra nsmisi isión ón de fuer fuerzas zas a travé través s de las las par partíc tícula ulas s de suel suelo o
deformación de los contactos entre partícula
deformación de las partículas
deslizamiento y rotación de las partículas Mecanismos de la deformación de suelos
arcilla
limo
a l u c í t r a p a l e d e i c i f r e p u s
agua unida
agua libre
número de cationes
Interacción química
Equilibrio hidrostático
Flujo de agua
Falla hidráulica
Flujo transiente: Consolidación
Estado del suelo Contenido §
Caracterización de los volúmenes de las fases sólida, sólida, líquida y gaseosa
1. Introducción Introducción
• relación de vacios 2. Estado del suelo p
V
3. Definiciones
e=
w
V
V p V s
V
4. Comportamiento Comportamiento drenado – drenado – monotónico monotónico
• grado de saturación
s
V
S = 5.Comportamiento no drenadodrenadomonotónico monotónico Ø Valores
V w V p
límites de la relación de vacios: emax, emin à en arenas
6. Comportamiento Comportamiento drenado – drenado – cíclico Ø Valores límites del grado de saturación: S=1à saturado, S=0 à seco 7. Comportamiento Comportamiento nono- Ø Densidad relativa Id= (emax-e) drenado cíclico 8. Conclusiones
§
/ (emax- emin)
Tensiones totales, presión de poros, poros, concepto de tensiones efectivas
Estado de tensiones del suelo à en general definido por 6 por 6 seis componentes à tensor de tensor de tensiones §
Νh
tensiones totales
σh
presión de poros
uh = uv = u
tensiones effectivas
σh
'
=
=
a2
σh
;
σv
=
−u;
controlan el comportamiento mecánico del suelo
Νv a2
'
σv
=
σv
−u
Definiciones Contenido §
Representacion gráfica del estado de tensiones
1. Introducción Introducción 2. Estado del suelo
Círculo de Mohr
3. Definiciones 4. Comportamiento Comportamiento drenado – drenado – monotónico monotónico 5.Comportamiento no drenadodrenadomonotónico monotónico
q=(σ1-σ3)/2
6. Comportamiento Comportamiento drenado – drenado – cíclico 7. Comportamiento Comportamiento nonodrenado cíclico
p=(σ1+σ2+σ3)/2 8. Conclusiones
Trayectoria de tensiones
Definiciones Contenido §
1. Introducción 2. Estado del suelo 3. Definiciones 4. Comportamiento Comportamiento drenado – drenado – monotónico monotónico 5.Comportamiento no drenadodrenadomonotónico monotónico 6. Comportamiento Comportamiento drenado – drenado – cíclico 7. Comportamiento Comportamiento nonodrenado cíclico 8. Conclusiones
Ensayos elementales (Element tests) tests)
Contenido
Comportamiento drenado de suelos granulares bajo carga monotónica
1. Introducción 2. Estado del suelo 3. Definiciones 4. Comportamiento drenado – – monotónico monotónico 5.Comportamiento no drenadodrenadomonotónico monotónico
§
Compresión isotrópica, compresión confinada
§
Compresión triaxial
§
Relación de vacios crítica
§Estado
crítico
Comportamiento no drenado de suelos granulares bajo carga monotónica
6. Comportamiento Comportamiento § Compresión triaxial drenado – drenado – cíclico 7. Comportamiento Comportamiento nonodrenado cíclico 8. Conclusiones
§
Estado crítico
§
Liquefacción estática
Hochstetten-Sand Schlabendorf-Sand e
e
presión media p [MPa] presión vertical σv [MPa]
e
trigo plástico
presión media p [kPa]
Resultados experimentales: compresión isotrópica, compresión confinada
Edómetros con arena de Bruselas
Comportamiento drenado de suelos granulares • Compresión isotrópica • Compresión confinada 1
1
0.9
0.9
0.8
0.8
suelta 0.7
0.7
e0.6
e0.6
0.5
0.5
0.4
0.4
0.3
0.3
densa
0.2
0.2 0
2000
4000
6000
p, σv [kPa]
8000
10000
10
100
1000
p, σv [kPa]
10000
SOM (Swept Out of Memory) – Goldscheider (1977) - primer estado asimptótico
Trayectorias de tensiones σ2
σ2
= σ1 σ2
ε2
estados iniciales Trayectorias de deformaciones ε1
= K 0σ 1
σ1
Comportamiento drenado de suelos Granulares sometido a esfuerzos cortantes: • Corte simple • Compresión triaxial dilatancia
Corte Simple contractancia
Influencia de la densidad
Compresión triaxial
• En su libro „Fundamentals of Soil Mechanics “ Taylor (1948) observa que la resistencia al corte de arenas depende del aumento instantáneo del volumen (dilatancia) de la muestra
τ
= σ '(tanν + tan ϕ r )
ν depende de la deformación , de la
densidad y del estado de tensionesà no es una constante del suelo , mientras que ϕr es una constante del suelo
Comportamiento drenado de suelos granulares sometido a esfuerzos cortantes: Compresión triaxial
Influencia de la presión de confinamiento
σ3= 100 kPa
e
3
σ /
1
σ
Resultados experimentales: Compresión triaxial
Influencia de la densidad
] % [ v ε
Karlsruhe-Sand ε1 [%]
e=0,53
σ3
3
σ /
1
σ
Resultados experimentales: Compresión triaxial
] % [ v ε
Influencia de la presión de confinamiento
Karlsruhe-Sand
ε1 [%]
Grava en estado denso
Verdugo et al., 2003
Resultados experimentales: Compresión triaxial
Influencia de la presión de confinamiento
Grav Gr ava a en es esta tado do de dens nso o
Verdug Ver dugo o et al., al., 2003 2003
Resultad Resultados os experiment experimentales: ales: Compresió Compresión n triaxial triaxial
Influenci Influencia a de la presión presión de confinamie confinamiento nto
Resist Res istenc encia ia al cor corte te máx máxima ima (res (resist istenc encia ia de pic pico) o) Grav Gr ava a en es esta tado do de dens nso o
Verdug Ver dugo o et al., al., 2003 2003
Resultad Resultados os experiment experimentales: ales: Compresió Compresión n triaxial triaxial
Influenci Influencia a de la presión presión de confinamie confinamiento nto
Resist Res istenc encia ia al cor corte te en est estado ado res residu idual al Grav Gr ava a en es esta tado do de dens nso o
Verdug Ver dugo o et al., al., 2003 2003
Resultad Resultados os experiment experimentales: ales: Compresió Compresión n triaxial triaxial
Influenci Influencia a de la presión presión de confinamie confinamiento nto
Estado crítico Casagrande (1936)
arena densa arena suelta Relación de vacios crítica
Estado crítico (segundo estado asimptótico
Variación de la relación de vacios
Estado crítico
Variación de la presión de confinamiento
bajo condiciones de corte triaxial drenado, en el estado crítico se cumplen que:
1.
2. 3.
4.
e = ec ( p′)
M =
q − M p′ = 0 ∂q ∂t ∂ε q ∂t
=
∂ p′ ∂t
≠0
=
∂ε v ∂t
=0
6 sin ϕ c 3 − sin ϕ c
bajo condiciones generales de corte, en el estado crítico se cumplen que:
1.
2. 3.
4.
e = ec ( p′)
q − M p′ = 0 ∂q ∂t ∂ε q ∂t
=
∂ p′ ∂t
≠0
=
∂ε v ∂t
=0
1.
e = ec ( p′)
2.
F (σ ') = 0 ∂σ '
3.
∂t 4.
=
∂ε ∂t
∂ε v ∂t ≠0
=0
Estado crítico de la arena de Toyoura
Relaciones de vacio característica
Verdugo e Ishihara, 1990
Ensayos triaxiales verdaderos según Goldscheider
Matsuoka-Nakai
F(s ij ) − f c =
I1 I 2 I3
+
9 − sin 2 ϕ − 1 + sin
2
ϕ
=0
Contenido
Comportamiento drenado de suelos granulares bajo carga monotónica
1. Introducción 2. Estado del suelo 3. Definiciones 4. Comportamiento Comportamiento drenado – drenado – monotónico monotónico 5.Comportamiento no drenadodrenadomonotónico monotónico
§
Compresión isotrópica, compresión confinada
§
Compresión triaxial
§
Relación de vacios crítica
§Estado
crítico
Comportamiento no drenado de suelos granulares bajo carga monotónica
6. Comportamiento Comportamiento § Compresión triaxial drenado – drenado – cíclico 7. Comportamiento Comportamiento nonodrenado cíclico 8. Conclusiones
§
Estado crítico
§
Liquefacción estática
Comportamiento no drenado de suelos granulares sometido a esfuerzos cortantes: • Compresión triaxial no drenada (CIU) cu
especimen suelto
estado crítico (muestra en estado denso)
especimen en estado denso
Ensayos de corte triaxial triaxial no drenado, arena de Toyoura en estado denso. Experimentos de Verdugo e Ishihara (1990)
estado crítico (muestra en estado suelto)
especimen en estado suelto
licuación estática Sur
Ensayos de corte triaxial no drenado, arena de Toyoura en estado medianamente denso. Experimentos de Verdugo e Ishihara (1990)
Ensayos de corte triaxial no drenado, arena de Toyoura en estado muy suelto. Experimentos de Verdugo e Ishihara (1990)
Variabilidad de la resistencia residual no drenada
YOSHIMINE et al., 1999
Influencia de la relación de vacios
Sivathayalan & Vaid, 2004
bajo condiciones de corte triaxial no drenado, en el estado crítico se cumplen que:
1.
2. 3.
4.
e = ec ( p′)
M =
q = M p′ ∂q ∂t ∂ε q ∂t
=
∂ p′ ∂t
≠0
=
∂u ∂t
=0
6 sin ϕ c 3 − sin ϕ c
bajo condiciones generales de corte, en el estado crítico se cumplen que:
1.
2. 3.
4.
e = ec ( p′)
q − M p′ = 0 ∂q ∂t ∂ε q ∂t
=
∂p′ ∂t
≠0
=
∂u ∂t
=0
1.
e = ec ( p′)
2.
F (σ ') = 0 ∂σ '
3.
∂t 4.
=
∂ε ∂t
∂u ∂t ≠0
=0
Compresión triaxial drenada y no drenada
drenado
no drenado
Brusselian-Sand
Verdugo e Ishihara, 1990
Contenido
Comportamiento drenado de suelos granulares bajo carga cíclica
1. Introducción 2. Estado del suelo 3. Definiciones 4. Comportamiento Comportamiento drenado – drenado – monotónico monotónico
§
Compresión isotrópica, isotrópica, compresión confinada
§
Compresión triaxial
Comportamiento no drenado de suelos granulares bajo carga cíclica
5. Comportamiento Comportamiento no drenadodrenado-monotónico § Compresión triaxial, triaxial, corte simple 6. Comportamiento drenado – – cíclico 7. Comportamiento Comportamiento nonodrenado cíclico 8. Conclusiones
§
Liquefacción bajo carga cíclica
Compresión confinada cíclica
Deformación acumulada
estado asimptótico
Ensayos utilizados para el estudio del comportamiento cíclico de suelos
•Corte simple •Triaxial •Columna resonante •Hollow cylinder •Torsional tests
Corte simple drenado cíclico 1.
γa
= max
γ
entre 10-4 y 10-2
• densificación hasta la densidad máxima à aumento de la resistencia al corte • histeresis • Estado asimptótico 2.
γa
= max
γ
< 10-4
• densificación muy lenta • menor histeresis 3.
γa
= max γ > 10-2
• no hay densificación debido a dilatancia • gran histeresis
Compresión triaxial cíclica drenada con qa =0 (stress control) q
qa
p
qa
Compresión triaxial cíclica drenada con - ε1 = ε = ε1 (strain control) 2εa
q
p
10
estado asimptótico (3. atractor)
Variación de la rigidez al corte con la deformación
Ga Gb
rango „elástico“
Variación de la rigidez al corte con la presión de confinamiento
Tatsuoka
Contenido
Comportamiento drenado de suelos granulares bajo carga cíclica
1. Introducción 2. Estado del suelo 3. Definiciones 4. Comportamiento Comportamiento drenado – drenado – monotónico monotónico
§
Compresión isotrópica, isotrópica, compresión confinada
§
Compresión triaxial
Comportamiento no drenado de suelos granulares bajo carga cíclica
5.Comportamiento no drenadodrenado-monotónico § Compresión triaxial, triaxial, corte simple 6. Comportamiento Comportamiento drenado – drenado – cíclico 7. Comportamiento nono-drenado cíclico 8. Conclusiones
§
Liquefacción bajo carga cíclica
Corte simple no drenado cíclico 1.
γa
= max
γ
entre 10-4 y 10-2
• aumento de la presión de poros à disminución de σ‘à disminución de τà licuación • histeresis
2.
γa
= max
γ
< 10-4
• la reducción de σ‘ es muy lenta • menor histeresis 3.
γa
= max
γ
> 10-2
• aumentos y disminuciones de las presiones de poros se alternan • gran histeresis
Corte simple cíclico no drenado con – τa = τ = τa (stress control)
NSCyc8
100
32 ∆ u [kPa]
80
28
60
24 Effective Vertical Stress (kPa)
40 u d n a s e s s e r t
20
20
16
0
12
[
-20
8
S
Shear Stress (kPa)
-40
4
-60
0 Strain (%)
-80
-4
-100
-8 0
50
100
150
200
time (seconds)
Nevada-Sand
250
300
350
n i a r t S
estado asimptótico (3. atractor)
Kammerer et al., 2004
Undrained Triaxial Test
Ishihara, 1985
Sivathayalan & Vaid, 2004
Sivathayalan & Vaid, 2004
Sivathayalan & Vaid, 2004
Compresión triaxial cíclica drenada con - ε1 = ε = ε1 (strain control)
G 1
Corte cíclico drenado con - γa = γ = γa (strain control)
Influencia de la amplitude de deformación
