Ingeniería Geotécnica Avanzada-Capitulo 01

Ingeniería Geotécnica Avanzada Chandrakant S. Desai

Ingeniería Geotécnica Avanzada 1 Introducción Las estructuras de ingeniería estan hechas de materiales de la materia encontrada en el universo. En cada nivel: atómico, nano, micro y macro; los componentes en la materia interactúan con cada otro y se combinan constantemente, asumiendo varios estados que, por ejemplo, identifica iniciación (nacimiento) hasta el final o falla (muerte). La interacción int eracción o agrupamiento juega un rol significante en la respuesta de los materiales y por lo tanto, en los sistemas de ingeniería. Entonces, el agrupamiento bajo influencias externas o fuerzas en el micro nivel entre particulas, fluidos, aire, temperatura, y químicos en un elemento material, entre estructuras y material geológico en interfaces, entre masas de rocas y juntas es de suma importancia. Además, el entendimiento y la caracterización del comportamiento de material es vital para la solución de sistemas geotécnicos. Este libro intenta abordar esos temas. Por un largo tiempo, la ingeniería geotécnica ha utilizado esquemas simplificados y computarizados para analizar y diseñar problemas que envuelve condiciónes avanzadas tal como interacciónes suelo - estructura y el efecto del comportamiento acoplado de materiales fluido-geológicos sobre la respuesta de estructuras y cimientos. Se han implicado soluciónes analíticas y de formas cerradas basadas en en la teoría lineal de Boussineq, y limite de equilibrio para evaluar cargas finales o de falla. Sin embargo, muchos problemas geotécnicos son afectados por factores importantes que no pueden ser manejadas por procedimientos de soluciones convencionales y simplicadas. Dichos factores pueden incluir no homogeniedad y capas, geometrias arbitrarias, comportamiento no lineal, comportamiento especial de interfaces y juntas, interacción entre material geológico y estructuras, efectos de los lo s fluidos y otros factores ambientales, y cargas repetitivas y dinámicas. La soluciones realistas de problemas prácticos involucrando esos factores, requiere el uso de técnicas numéricas como diferencia finita, elementos finitos, elemento límite, métodos basados en el uso de computadoras modernas. Los métodos basados en computadora han sido desarrollados y son válidos para análisis prácticos y diseñados por ingenierios geotécnicos. Se han publicado un amplio rango de revistas profesionales , y algunas veces describen brevemente libros geotécnicos. Sin embargo, un tratamiento comprensivo y sistemático no es aun válido. El énfasis principal de este libro son los problemas de interacción suelo-estructura. Desde muchos problemas que involucran algun nivel de interacción entre estructuras y materiales geológicos (suelos y rocas), estan tambien cubiertos. En vista del alcance del libro, sera út il para practicantes, estudiantes, profesores e investigadores.


El análisis racional de la interacción suelo-estructura, uno de los temas mas desafiantes, puede ser logrado usando métodos modernos computarizados. Movimientos relativos entre la estructura y el material geológico alrededor ocurren en las interfaces (o juntas) entre ellas.

FIGURA 1.1

Esquema de interacción suelo estructura

La figura 1.1 muestra el esquema de una construcción en fundaciones de suelo o roca, los cuales pueden contener interfaces y juntas; los dos últimos son comunmente denominados interfaces. La interacción o agrupamiento en interfaces pueden cambiar la distribución y magnitudes de los esfuerzos y tensiónes comparados a esos evaluados con métodos convencionales, los cuales a menudo asumen que el suelo y la estructura estan “pegados”, y que no experimentan ningún movimiento relativo. La influencia de los movimientos relativos pueden causar, por instantes, la reducción de las tensiones que conducen a efectos de arqueo. En análisis dinamicos, omitiendo la interacción puede resultar en lejanas diferencias de tensiónes y desplazamientos en comparación con los que realmente ocurren. Tambien, la predicción de la licuefacción puede ser mas realista si los movimientos relativos son tomados en cuenta. Otro factor significante es el comportamiento no lineal para modelamiento de la respuesta mecánica del material geológico e interfaces. El presente tema, un tarea bastante formidable por que el comportamiento de materiales geológicos es mucho mas desafiante de entender y definir. El tema de modelos constitutivos de materiales e interfaces se converte asi en la solución realista vital de problemas practicos geotécnicos. Este libro presenta aspectos teóricos, experimentales y validación para modelos constitutivos. Sin embargo, más tratamientos comprensivos para modelos constitutivos son válidos en otros libros y documentos. Métodos computarizados para una amplia gama de problemas geotécnicos son presentados en este libro, junto con modelos constitutivos avanzados y realistas. Para la aplicación de métodos computarizados, es esencial determinar la validez de los modelos constitutivos y computarizados. Por lo tanto, una parte de este libro se dedica a problemas prácticos resueltos por calculos manuales y por el uso de métodos computarizados. Tratamientos detallados de


varios métodos computarizados son válidos en el método de Elementos Finitos (Finite Elements), el método de Diferencias Finitas (Finte Difference); y el método del Elemento de Frontera (Boundary Element).

1.1 IMPORTACIÓN DE LA INTERACCIÓN Las estructuras de ingeniería muy frecuentemente engloban el uso de más de un material en contacto. Cada material posee comportamientos característicos específicos; sin embargo, cuando en contacto, el comportamiento del sistema compuesto es influenciado por la respuesta de cada material tanto como la interacción o agrupamiento entre materiales.

Modos de deformación en interfaces y juntas. (a) Interface(junta); (b) translación; (c) rotación; y (d) interpenetración.

FIGURA 1.2

La Figura 1.2 muestra un esquema de dos materiales, como un compuesto. La deformación mecánica en la interface o junta esta influenciado por los movimientos relativos entre los materiales, los cuales pueden constituir translaciones, rotación, y interpenetración. El comportamiento de un material “sólido” esta influenciado por el mecanismo entre las particulas a nivel micro o superior. El comportamiento de una interface esta influenciado por mecanismos entre particulas de dos diferentes materiales, tanto como particulas de diferentes materiales como surcos (en juntas). Muchas veces en el pasado, el sistema fundación-estructura fue analizado y diseñado asumiendo movimientos no relativos entre ellos, es decir, asumiendo que ellos son “pegados”

unos con otros. Sin embargo, los movimientos relativos ocurren en la interface causando un efecto significativo sobre el comportamiento general del sistema. Por lo tanto, es imperativo definir e incluir el comportamiento de interfaces en el análisis y diseño de estructuras fundadas sobre o en material geológico. Un objetivo principal de este libro es dar consideraciones comprensivas del modelado, pruebas, y calibración de modelos para las interfaces o juntas, y aplicación para la solución de problemas prácticos en ingeniería geotécnica.


1.2 IMPORTACIÓN DEL COMPORTAMI COMPORTAMIENTO ENTO DEL MATERIAL El comportamiento de los materiales de ingeniería e interfaces esta influenciado significativamente por la naturaleza y composición de los materiales; modelos matemáticos definen el comportamiento basado en pruebas de campo y/o laboratorio llamados modelos constitutivos. Un modelo de caracterización realista del comportamiento mecánico de materiales “sólidos” (estructural y geoló gico) e interfaces es vital para la solución práctica de modelos. Para aplicar un modelo para problemas prácticos, es necesario validar modelos constitutivos a nivel de muestra y el nivel del valor limite del problema hacia su uso seguro para problemas practicos. La importancia del modelado realista no puede ser exagerada!

1.2.1 COMPORTAMIENTO LINEAL ELÁSTICO En métodos simplificados para desplazamientos y tensiónes en una masa geológica (suelo o roca) computarizada, se supone generalmente que el material (geológico) se comporte de manera lineal elástica o elástico lineal por piezas. En efecto, esta basado en una enorme suposición que el comportamiento esfuerzo-deformación es lineal, y cuando la aplicación aplicación de la carga es removida, el material geológico regresa a su configuración original. Como la mayoria de los materiales geológicos no son lineales, a veces, la no linealidad es simulada incremetadamente usando una función matemática de orden superior para representar el comportamiento esfuerzo-deformación, por ejemplo, hiperbola, parabola, y curvas. En tal modelo elástico piezado, la teoria de elasticidad se sigue asumiendo en cada incremento. El comportamiento elástico lineal es válido para análisis y diseños muy limitados porque el comportamiento real de materiales geológicos exhiben deformaciónes irreversibles o inelásticas o plásticas.

1.2.2 COMPORTAMIENTO INELÁSTICO En caso de un comportamiento inelástico o plástico en el cual el material no retorna a su configuración original, pero conserva cierto nivel de tensiónes (deformación), varios modelos basados en la teoria de plasticidad pueden ser recurridos. En modelos convencionales de plasticidad tales como Von Mises, Drucker-Prager, y Morh-Coulumb, se supone que el material es elástico hasta que alcanza una condición de fluencia específico, definido a menudo por el límite de elasticidad. Después de esto, el material entra en un rango plástico, guiado por condiciones tales como un criterio de fallo y regla de “flujo” que define el flujo plástico, como un “líquido”. A pesar de que estos modelos proporcionan algunos mejoras sobre el modelo elástico lineal (o no lineal), particularmente en el cálculo de la resistencia final o falla del material, no proporciónan predicciones realistas para la respuesta de esfuerzo-deformación completa, como se explicará más adelante.

1.2.3 COMPORTAMIENTO COMPORTAMIENTO DE FALLO CONTINUO La mayoría de materiales geológicos exhiben un comportamiento inelástico o plástico casi al inicio de la carga; en otras palabras, cada punto de la curva esfuerzo-deformación esfuerzo -deformación designa un


límite de elasticidad. Para una formulación de plasticidad, se requiere de la aplicación de un criterio de fallo y de la regla de flujo desde el inicio de la carga. El estado crítico, y los modelos jerarquicos de plasticidad superficial única (HISS), pueden manejar la condición de fallo desde el inicio, y pueden ser llamados modelos de fallo continuo.

1.2.4 COMPORTAMIENTO DE FLUENCIA También, muchos de los materiales geológicos e interfaces exhiben comportamientos de fluencia dependiente del tiempo, que es, continua experimentando un aumento en la tensión bajo esfuerzo constante o continua expermientando cambios (relajación) en esfuerzo bajo deformación constante.

1.2.5 COMPORTAMIENTO DESCONTINUO No podemos perder el hecho que un material geológico, hecho de (billones) de particulas, contiene “discontinuidades” debido a modificac iones microestructurales durante la carga afectada por factores como deslizamiento de particulas, separación, y superponiendose uno al otro. La discontinuidad puede ocurrir desde el principio (inicialmente) y durante deformac iones. Entonces, los modelos basados en elasticidad, plasticidad, viscoelasticidad, viscoelasticidad, y asi sucesivamente pueden tener una validez limitada para el material geológico por que son basadas en la suposición de “continuidad” entre particulas, es decir, las particulas en un material mantienen su proximidad durante deformaciones. Es dificil desarrollar un modelo teórico para materiales discontinuos. Por lo tanto, casi todos los modelos válidos propuestos para contabilizar discontinuidades estan basadas en una combinación de comportamientos continuos y discontinuos. En otras palabras, introducen, o sobrepone, modelos para discontinuidades sobre los de comportamiento continuo. Hay una serie de modelos propuestos para dar cuenta de discontinuidades, por ejemplo, daño clásico, daños con enriquecimientos externos, interación de microfisuras, micromecánica, gradiente, y teorias de Cosserat. La Figura 1.3 muestra un esquema de varios modelos que introducen int roducen esquemas de discontinuidad basados en teorias del continuo.

El continuo y discontinuo interactuando y modelos aproximados. (Adaptado de Desai, C.S. Mecánica de Materiales e Interfaces: El concepto de Estado Perturbado, CRC press, Boca Raton, FL, 2001.) FIGURA 1.3


Bajo la combinación de cargas (ambiental y mecánica), un material deformado puede experimentar modificaciones microestructurales las cuales pueden resultar en microfisuraciones llevando a fracturas, y falla (debilitamiento), o curado dejando endurecido. La mayor atención esta dada a la microfisuración, llevando a falla por que la mayoria de los problemas en este libro implican ese aspecto. El concepto de estado perturbado (Disturbed state concept DSC) esta basado en la consideración que el comportamiento observado de un material deformado puede ser expresado en terminos de el comportamiento de la parte del continuo llamada relativa intacta (Relative intact RI), y la otra parte generada por el estado asintótico alcanzado por la parte microfisurada llamada totalmente ajustado (Fully Ajusted FA). La función de perturbacion conecta las dos partes, representando asi el acoplamiento entre las partes del RI y FA. El concepto de estado perturbado permite las modificaciónes microestructurales intrinsicamente; por lo tanto, provee cierta ventaja tales como evitar la dependencia de la malla falsa sobre otros modelos. Una mayor ventaja del concepto de estado perturbado es que el marco matemático puede ser especializado para interfaces y juntas. Finalmente, el concepto de estado perturbado provee un único enfoque, que contiene la mayoria de los modelos disponibles como casos especiales, y es jerarquico. Más detalles del concepto de estado perturbado pert urbado se presentan en la ref.2. El apéndice 1 presenta una breve descripción de varios modelos constitutivos para sólidos e interfaces o juntas que son usadas exitosamente para la solución de problemas de sueloestructura. La aplicación de algunos problemas prácticos son presentados en este libro.

1.2.6 PARAMETROS DE MATERIAL La definción de un un modelo constitutivo envuelve un número de parametros que pueden pueden ser en función de ciertos factores que influyen en el comportamiento, o puede ser constante. Para predicciones realistas de problemas practicos, los valores de los parametros deben ser determinados a partir de ensayos de laboratorio y/o campo. Este tema no esta dentro del alcance de este libro; se ha tratado en otras otr as publicaciones como la ref.2. En el apendice 1 se da una breve descripción. También, cuando un modelo constitutivo es usado para una aplicación dada en este libro, los valores de los parametros con breve antecedentes y referencias se proporciónan con la aplicación.

1.3 RANGOS DE APLICABILIDAD DE MODELOS La figura 1.4 muestra el esquema de comportamiento no lineal exhibido por un material típico geológico. Muestra el comportamiento elástico lineal para un pequeño rango, la marca 1 en la figura. Por lo tanto, bajo la carga p (Tension ), solo la deformacion e puede ser predicha. En otras palabras, un modelo elástico lineal puede ser usado de manera segura cuando la carga es limitada en la región inicial elástico, con un factor de seguridad mayor. Sin embargo, en


ralidad, la deformación real bajo la carga será ε., y es necesario adoptar un modelo plástico. Si el comportamiento exhibe deformaciónes suaves despues del pico, es esencial adoptar modelos que cuenten para (inducido) discontinuidades y ocurrencias de inestabilidades como fallas y licuefacciónes. En general, para el análisis realista y el diseño de los problemas de interacción suelo-estructura, el comportamiento no lineal que implica elástico, plástico y fluencia, microfisuración que conduce a la fractura y la falla puede tener que ser considerado. De hecho, se pueden usar versiónes especializadas que sólo cuentan factores relevantes, dependiendo de la necesidad de material específico en un problema dado. Por ejemplo, una arcilla blanda puede necesitar sólo un modelo de plasticidad asociativa, mientras que una arcilla sobreconsolidada puede necesitar una versión que permita el microfisado. En este contexto, la propiedad jerárquica del modelo DSC permite al usuario elegir un modelo dependiendo del comportamiento material específico.

1.4 MÉTODOS DE COMPUTADOR COMPUTADORA A Antes del adviento de la computadora, el análisis y diseño de problemas de ingeniería fueron basados muy frecuentemente en consideraciones empíricas y el uso de solución en forma cerrada de ecuaciones matematicas simplificadas que gobiernan el comportamiento.

Esquema del comportamiento no lineal de material geológico: (a) Esfuerzo – Deformación y rango elástico; (b) Esfuerzo – Deformación Deformación en un rango plástico; y (c) volumétrico.

FIGURA 1.4

Sin embargo, estos métodos usualmente no era capaces de contabilizar aspectos de comportamiento tales como la respuesta no lineal de los materiales e interfaces, geometrias complejas, y cargas. Con el uso de la computadora para metodos tales como FE, muchos factores complejos puede ser representados, los cuales no fueron posibles por las soluciones empiricas y matematicaticas de forma cerrada. Aunque las computadoras pueden usarse para soluciones de forma cerrada, pueden ser usadas más eficientemente para la solución de muchos mas problemas realistas envolviendo el comportamiento no lineal, condiciones de limite complejas, naturaleza no homegénea de


sistemas materiales, y condiciones realistas de carga. Los metodos FD, FE, y BE han sido utilizados para soluciones realistas de problemas de suelo – estructura. estructura. Este libro provee detalles de los métodos FE y FD en varios capitulos, pertinentes a los problemas problemas especificos considerados. considerados.

1.5 Flujo de fluido Muchos problemas geotécnicos suelo – estructura estructura son afectados por la existencia de agua fluida o porosa, presión en el suelo de la fundación. Por lo tanto, el efecto de la presión de fluido necesita ser considerado en el análisis y diseño de problemas geotécnicos y de interacción suelo – estructura. Tenemos presentado descripciones de filtraciónes confinadas y no confinadas (superficie libre), consolidación, y el comportamiento fluidos – sólido acoplado, en varios capitulos.

1.6 Alcance y contenido Métodos convenciónales son frecuentemente incapaces de manejar factores significantes que influyen el comportamiento del sistema geotécnico. Este libro enfatiza la aplicación de modernos y poderosos métodos computaciónales co mputaciónales y técnicas analíticas para la solución de tales problemas desafiantes. El comportamiento mecánico de los materiales envuelto en problemas geotécnicos juega un rol vital en la soluciones fiables y económicas para para análisis y diseño. Por lo tanto, el uso de métodos computacionales con modelos apropiadas y realistas es el tema principal de este libro. El capítulo 1 presenta los objetivos y principales factores importantes en la aplicación de métodos informáticos y modelos constitutivos para material geológico e interfaces / juntas. El capítulo 2 presenta un tratamiento integral de los métodos analíticos a nalíticos y numéricos (FD y FE), para la solución de problemas que pueden ser idealizados como unidimensionales (1-D) (vigas, pilotes y muros de contención). En este capítulo se usan modelos constitutivos c onstitutivos simplificados como las curvas elástica lineal, elástica no lineal y desplazamiento de resistencia. El capítulo 3 comprende el método de Elementos Finitos (FE) para problemas idealizados como bidimensionales (2-D) y tridimensiónales (3-D). Las aplicaciónes en 2D incluidas en este capítulo son bases (circulares, cuadradas y rectangulares), pilotes, presas, terraplenes, túneles, estructuras de retención, tierra reforzada y pavimentos. En este y los subsiguientes capítulos se utilizan modelos constitutivos basados en elasticidad y plasticidad convenciónales, elastoviscoplasticidad, elastoviscoplasticidad, plasticidad de rendimiento continuo, plasticidad HISS y DSC, capaces de modelar el ablandamiento y la degradación de materiales. Los parámetros para los modelos constitutivos utilizados se presentan con aplicaciónes, mientras que sus detalles se presentan en el Apéndice 1. La aplicación para el método FE 3-D y un procedimiento aproximado denominado método multicomponente se tratan en el Capítulo 4. En el capítulo 5, se aplican métodos FE 2-D y 3-D y FD 2D a la filtración (flujo a través de medios no deformables porosos), que es una forma especializada del flujo general a través de medios


deformables porosos. En este capítulo se describen una serie de problemas relacionados con la simulación 2-D y 3-D para represas, terraplenes, riberas y pozos. El capítulo 6 contiene las aplicaciónes FD y FE para los análisis de consolidación y asentamientos 1-D. El capítulo 7 contiene la formulación del problema general, que implica el comportamiento acoplado entre la deformación y la presión del fluido para los análisis estáticos, cuasi-estáticos y dinámicos. Incluye la aplicación a una serie de problemas tales como presas y pilotes que implican mediciónes de campo, mesa de sacudidas y pruebas de centrifugación. Tales temas importantes y el efecto de la respuesta de la interfaz sobre el comportamiento de los sistemas geotécnicos y la licuefacción (considerada como inestabilidad microestructural) se discuten en el Capítulo 7. El Apéndice 1 da detalles de varios modelos constitutivos con los parámetros utilizados en este libro. Se hace especial hincapié en los modelos desarrollados y utilizados por los autores de este libro; Se citan referencias apropiadas para el uso de otros modelos. Así, el lector puede consultar el Apéndice 1 para detalles de los modelos constitutivos usados en varios capítulos. El apéndice 2 presenta descripciónes concisas de varios códigos informáticos desarrollados por los autores y utilizados para la solución de problemas en varios capítulos. La lista también incluye algunos otros códigos de computadoras disponibles que pueden usarse para la solución de problemas cubiertos en este libro.

Ingeniería Geotécnica Avanzada-Capitulo 01

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