caracterizacion y comportamiento de terraplenes en condiciones no saturadas universidad nacional de...

CARACTERIZACION Y COMPORTAMIENTO

DE TERRAPLENES EN CONDICIONES

NO SATURADAS

UNIVERSIDAD NACIONAL DE CORDOBA

Area de Geotecnia.Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales.

MARCELO E. ZEBALLOS

APLICACIONES DE LA MECANICA

DE LOS SUELOS

NO SATURADOS


Area de Geotecnia.Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales.

MARCELO E. ZEBALLOS

CARACTERIZACION DE LA MECANICA DE SUELOSCARACTERIZACION DE LA MECANICA DE SUELOS

MECANICA DE

SUELOS

SUELOS SATURADOS

ARCILLAS Y

LIMOS

ARENAS Y

GRAVAS

Presión de Porosuw > 0

LIMOS Y ARCILLAS COMPACTADOS

ARCILLAS DESECADAS

SUELOS RESIDUALES

SUELOS NO SATURADOS

Presión de Porosuw < 0

MECANICA DE LOS SUELOS NO SATURADOS

Presión de poros negativaPresión de poros negativa

Presión Neta NormalPresión Neta Normal((-u-uaa))

Succión MatricialSucción Matricial(u(uaa- u- uww))

N.F.N.F.

Presiones Efectivas(-uw)

MECANICA DE LOS SUELOS SATURADOS

SUELO NO SATURADOSUELO NO SATURADO

SUELO SECOSUELO SECO

Discontinuidad en Discontinuidad en Vacíos llenos en suVacíos llenos en su

la fase de aguala fase de agua mayoría con airemayoría con aire

FASE DE 2 FLUIDOSFASE DE 2 FLUIDOS

Fase de aguaFase de agua Fase de aire Fase de aire continuacontinua continuo continuo

ZONA CAPILARZONA CAPILAR Vacíos llenos en suVacíos llenos en su Fase gaseosa Fase gaseosa mayoría con aguamayoría con agua discontinua discontinua

SUELOS SATURADOSSUELOS SATURADOS

Vacíos llenos deVacíos llenos de Aire en estadoAire en estado

aguaagua disueltodisuelto

EJEMPLOS DE APLICACIONEJEMPLOS DE APLICACION

EQUILIBRIO DE HUMEDADEQUILIBRIO DE HUMEDAD

Alturas CapilaresAlturas Capilares

SueloSuelo Dio (mm)Dio (mm) e e hcr (cm)hcr (cm) hcr (cm) hcr (cm)

Grava gruesaGrava gruesa 0,820,82 0,27 0,27 5,4 5,4 6,0 6,0

Grava arenosaGrava arenosa 0,200,20 0,45 0,45 28,4 28,4 20,0 20,0

Grava finaGrava fina 0,300,30 0,29 0,29 19,5 19,5 20,0 20,0

Grava limosaGrava limosa 0,060,06 0,45 0,45 106,0 106,0 68,0 68,0

Arena gruesaArena gruesa 0,110,11 0,27 0,27 82,0 82,0 60,0 60,0

Arena mediaArena media 0,020,02 0,48-0,660,48-0,66 239,6 239,6 120,0 120,0

Arena finaArena fina 0,030,03 0,36 0,36 165,5 165,5 112,0 112,0

LinoLino 0,0060,006 0,95-0,930,95-0,93 359,2 359,2 180,0 180,0

Lane - Washburn, 1.946

AMBITO DE APLICACIÓN DEL PROBLEMA


ASPECTOS DE INTERES


•CARACTERIZACION DE LA RESISTENCIACARACTERIZACION DE LA RESISTENCIA

•EVALUACION DE LA ESTABILIDAD GLOBALEVALUACION DE LA ESTABILIDAD GLOBAL

•ANALISIS TENSO - DEFORMACIONALANALISIS TENSO - DEFORMACIONAL

•CONDICIONES DE FILTRACIÓNCONDICIONES DE FILTRACIÓN

•COMPORTAMIENTO ACOPLADOCOMPORTAMIENTO ACOPLADO

“El ingeniero que trabaja en suelos debe proyectar su estructura no sólo para

las propiedades del suelo existentes al comienzo de la obra, sino también para

toda la vida del proyecto de la estructura. Necesita conocer las propiedades del

terreno al comienzo de la obra y la forma en que éstas variarán a lo largo del

tiempo. Tanto el tamaño y la forma de un depósito determinado como las

propiedades mecánicas del suelo que los componen pueden variar de forma

significativa. Muchas de estas variaciones se producen independientemente de

la actividad humana, mientras que otras se deben a la propia obra”.

W. Lambe - R. Whitman (1.984)

AMBITO DE APLICACIÓN DEL PROBLEMAAMBITO DE APLICACIÓN DEL PROBLEMA

CARACTERIZACION DE LA RESISTENCIACARACTERIZACION DE LA RESISTENCIA

• RELACION ENTRE SUCCION Y HUMEDADRELACION ENTRE SUCCION Y HUMEDAD

• DEFINICIÓN DE PARÁMETROS RESISTENTESDEFINICIÓN DE PARÁMETROS RESISTENTES

SUCCION Y HUMEDADSUCCION Y HUMEDAD

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

0,01 0,1 1 10 100 1000 10000 100000 1000000

SUCCION [kPa]

GR

AD

O D

E S

AT

UR

AC

ION

RE

LA

TIV

OMODELO

U.N.C.-1996

HUANG, 1993

TORONTO, 1984

MOORE

SABBAGH, 1995

LEONG, 1995

FLEUREAU, 1995

FLEUREAU, 1995

HAN, 1995

ARCILLA

ARENA

LIMOARCILLOSO

ARENA+LIMO+ARCILLA

ARENA+LIMO

SUCCION Y SUCCION Y

HUMEDADHUMEDAD

M O D E L O E C U A C I O N C O N D I C I O N1d b

B r o o k s y C o r e y ( 1 9 6 4 )n

d a

b

B r i t s a e r t ( 1 9 6 6 ) nd

a

1

1

1d b M c K e e y B u m b ( 1 9 8 4 )

na

d e

b

M c K e e y B u m b ( 1 9 8 7 )

nad

e

1

1

F r e d l u n d y X i n g ( 1 9 9 4 )

m

nd

ae

ln

1

G a r d n e r ( 1 9 5 6 ) nd a

1

1

V a n G e n u c h t e n ( 1 9 8 0 )

m

nda

1

1

V a n G e n u c h t e n ( 1 9 8 0 ) - B u r d i n e ( 1 9 5 3 )

n

nda

/21

1

1

V a n G e n u c h t e n ( 1 9 8 0 ) - M u a l e m ( 1 9 7 6 )

n

nda

/11

1

1

RESISTENCIA AL CORTERESISTENCIA AL CORTE

)tg()()'tg()(' bwafaf uuuc

ESTABILIDAD AL DESLIZAMIENTOESTABILIDAD AL DESLIZAMIENTO


EQUILIBRIO DE MOMENTOEQUILIBRIO DE MOMENTO

EQUILIBRIO DE FUERZASEQUILIBRIO DE FUERZAS

NfWaA

RuuNRc

FSxLL

b

a

b

w

m

)'tg()'tg()tg(

1)'tg()tg(

'

)sen(

)'tg()cos()'tg()tg(

1)'tg()tg(

)cos('

NA

uuNc

FSL

b

a

b

w

f


INFLUENCIA DE PARAMETROS Y FSINFLUENCIA DE PARAMETROS Y FS

)tg('tg' bwaanm uuuc

FSS

FS

FSu

FSu

FSc

XXWN

bw

baLR

'tgsencos

tgsen

tg'tg)sen(sen'

dydxvdydxdzz

vv

tV

ww

ww

PERMEABILIDAD EN SUELOS NO SATURADOSPERMEABILIDAD EN SUELOS NO SATURADOS

Conservación de Masas

zk

czu

zk

kc

zu

ct

u w

g

ww

w

wvww

vw

1

2

2

gmk

cw

wwv 2

2

1m

cg

Ecuación Diferencial BásicaEcuación Diferencial Básica

Parámetros deformacionalesParámetros deformacionales

Contenido volumétrico de aguaContenido volumétrico de aguacondición de contorno condición de contorno bb(x,t)(x,t)

Potencial hidráulicoPotencial hidráulicoCondición de contorno Condición de contorno bb(x,t)(x,t)

Contenido volumétrico de aguaContenido volumétrico de aguabb(x,t)(x,t)

Cambios contenido volumétricoCambios contenido volumétricode agua de agua (x,t) / (x,t) / tt

Flujo de aguaFlujo de aguaJ(x,t)J(x,t)

Gradiente Potencial hidráulicoGradiente Potencial hidráulico(x,t)(x,t)

Succión sin cargaSucción sin cargah(x,t,h(x,t,,e,...),e,...)

Presión de porosPresión de porosu(x,t,u(x,t,,e,,e,,...),...)

Potencial hidráulicoPotencial hidráulico(x,t, (x,t, ,e,,e,,...),...)

Tensión conductividadTensión conductividadHidráulica kHidráulica ku u (x,t,h,e,...)(x,t,h,e,...)

Relación de vacíosRelación de vacíose(x,t)e(x,t)

Cambios Relación de vacíosCambios Relación de vacíose(x,t) / e(x,t) / tt

Tensión de deformaciónTensión de deformación(x,t)(x,t)

Condición de bordeCondición de bordeDesplazamientos dDesplazamientos db b (x,t)(x,t)

EstructuraEstructura

Módulo volumétricoMódulo volumétricokkee(x,t, (x,t, , , máx,máx,, , , , máxmáx,h...),h...)

Módulo de corteMódulo de corteG (x,t, G (x,t, , , máx,máx,, , , , máxmáx,h...),h...)

Tensión de corteTensión de corte (x,t, (x,t, , , máx,máx,, , , , máxmáx,h...),h...)

Tensión normal Tensión normal tt

Tensor de tensionesTensor de tensiones(x,t)(x,t)

Tensor efectivo de tensiónTensor efectivo de tensión(x,t,u,e, (x,t,u,e, ))

Condición de contornoCondición de contornoen tensiones en tensiones bb

MODELO DE FLUJO DE AGUA NO ESTACIONARIOMODELO DE FLUJO DE AGUA NO ESTACIONARIO

Proceso mecánico o hidráulico independienteProceso mecánico o hidráulico independienteAcoplamiento debido a cambio en porosidad o potencial hidráulicoAcoplamiento debido a cambio en porosidad o potencial hidráulicoAcoplamiento debido a procesos de corte o fallaAcoplamiento debido a procesos de corte o falla

MODELO DE TENSIONES Y DEFORMACIONES CUASIESTATICOMODELO DE TENSIONES Y DEFORMACIONES CUASIESTATICO

EJEMPLO 1. EJEMPLO 1.

ESTABILIDAD AL ESTABILIDAD AL

DESLIZAMIENTODESLIZAMIENTO

EJEMPLO ESTABILIDAD DE TALUDESEJEMPLO ESTABILIDAD DE TALUDES

ANALISIS TENSO - DEFORMACIONALANALISIS TENSO - DEFORMACIONAL

EJEMPLO 2.EJEMPLO 2.

EVALUACION TENSO - DEFORMACIONAL EN EVALUACION TENSO - DEFORMACIONAL EN PRESAS DE MATERIALES SUELTOSPRESAS DE MATERIALES SUELTOS

PARÁMETROS NECESARIOSPARÁMETROS NECESARIOS

1. IDENTIFICACION DE LOS MATERIALES1. IDENTIFICACION DE LOS MATERIALES

2. RELACIONES TENSIÓN - SUCCIÓN - DEFORMACIONES2. RELACIONES TENSIÓN - SUCCIÓN - DEFORMACIONES

3. RELACIONES SUCCIÓN - HUMEDAD - PERMEABILIDAD3. RELACIONES SUCCIÓN - HUMEDAD - PERMEABILIDAD

4. ESTADO DE CARGA EXTERNOS4. ESTADO DE CARGA EXTERNOS

5. TIEMPOS DE ANÁLISIS5. TIEMPOS DE ANÁLISIS

MODELO TENSO - DEFORMACIONALMODELO TENSO - DEFORMACIONAL

CURVAS CARACTERÍSTICAS DE PERMEABILIDADCURVAS CARACTERÍSTICAS DE PERMEABILIDAD

COMPORTAMIENTO DEL COMPORTAMIENTO DEL NUCLEO CENTRALNUCLEO CENTRAL

ESTADOS TENSIONALES Y ASENTAMIENTOSESTADOS TENSIONALES Y ASENTAMIENTOS

RESULTADOS DE LA MODELACIÓNRESULTADOS DE LA MODELACIÓN

RESULTADOS DESPUES DE LA CONSTRUCCIÓNRESULTADOS DESPUES DE LA CONSTRUCCIÓN

COMPORTAMIENTO DESPUES DEL COMPORTAMIENTO DESPUES DEL PRIMER LLENADOPRIMER LLENADO

ANÁLISIS PARAMÉTRICO DEL RESULTADOANÁLISIS PARAMÉTRICO DEL RESULTADO

EJEMPLO 3. MODELO ELEMENTO FINITO - FILTRACIONES

DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE CALZADAS.DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE CALZADAS.

Factores condicionantes:Tránsito.Clima y Medio Ambiente.Características de los Materiales.

Suelos Metaestables (Colapsables y Expansivos).

COMPORTAMIENTO OBSERVADOSCOMPORTAMIENTO OBSERVADOS.•Asentamientos localizados en el centro de la calzada (pérdida de perfil).Fisuración longitudinal en los bordes.

OBJETOOBJETOElaboración de modelo simplificado que permita aplicaciones en el proceso de diseño.

EJEMPLO 4. MODELOS NO SATURADOS EN TERRAPLENES VIALES

ORGANIZACIÓN DEL ESTUDIO.ORGANIZACIÓN DEL ESTUDIO.

Revisión del comportamiento observado.Revisión del comportamiento observado.Pérdida del perfil transversal. Asentamiento de 20 a 30 mm en el eje.Fisuración longitudinal en bordes. Localización: 30 a 40 cm del borde de calzada.

Hipótesis generales de la modelación.Hipótesis generales de la modelación.Suelos componentes de la fundación. Limos arenosos y limos arcillosos.Condiciones de humedad. Perfil de equilibrio energético entre humedad y succión.Efecto de la construcción de la calzada. Membrana impermeable o semipermeable.

Estudio de modelos de simulación aplicables.Estudio de modelos de simulación aplicables.Superficies de estadoEquilibrio de succiones bajo membranas impermeables.Curvas características suelo – agua.

EQUILIBRIO DE SUCCIONES Y EQUILIBRIO DE SUCCIONES Y HUMEDADES.HUMEDADES.Mitchell, 1980.Mitchell, 1980.

Ecuación básica de equilibrio (condiciones estacionarias).Ecuación básica de equilibrio (condiciones estacionarias). 02

2

2

2

y

u

x

u

Solución con desarrollo en series.Solución con desarrollo en series.

1

22 2

)12(cos

4)12(

cosh

2)12(

cosh

)12(

1),(8),(

n a

yn

aLn

axn

n

yLuyxu

SUPERFICIES DE ESTADO.SUPERFICIES DE ESTADO.(Alonso, et al, 1990; Josa et al, 1992; Blundo, Redolfi y Zeballos, 1998)(Alonso, et al, 1990; Josa et al, 1992; Blundo, Redolfi y Zeballos, 1998)

Integración de deformaciones.Integración de deformaciones. yyuyxue

hoy

y

)),0(ln()),(ln(1

1

0

CURVAS CARACTERISTICAS SUELO – AGUACURVAS CARACTERISTICAS SUELO – AGUA..(Fredlund, et al, 1990)(Fredlund, et al, 1990)

Antecedentes de calibración. Estudios del Area Geotecnia. UNC.

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

0,01 0,1 1 10 100 1000 10000 100000 1000000

SUCCION [kPa]

GR

AD

O D

E S

AT

UR

AC

ION

RE

LA

TIV

O

MODELO

U.N.C.-1996

HUANG, 1993

TORONTO, 1984

MOORE

SABBAGH, 1995

LEONG, 1995

FLEUREAU, 1995

FLEUREAU, 1995

HAN, 1995

ARCILLA

ARENA

LIMOARCILLOSO

ARENA+LIMO+ARCILLA

ARENA+LIMO

Brook y Coreyb

e

S

uyLu 1),(

MODELO PLANTEADO.MODELO PLANTEADO.

Escenarios planteados.Escenarios planteados.

RESULTADOS DE LA MODELACIONRESULTADOS DE LA MODELACIONAjuste de la succión

5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0

0.0

-0.4

-0.8

-1.2

-1.6

-2.0

-2.4

-2.8

-3.2

-3.6

-4.0

DISTANCIA AL EJE DE CALZADA (mts)

SU

CC

ION

(k

Pa

)

40-5030-4020-3010-200-10

RESULTADOS DE LA MODELACIONRESULTADOS DE LA MODELACIONAsentamientos en superficie.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

-3.50 -2.50 -1.50 -0.50 0.50 1.50 2.50 3.50

DISTANCIA AL EJE DE CALZADA (mts)A

SE

NT

AM

IEN

TO

S (

mm

) NF=8,0 mts

NF=6,0 mtsNF=4,0 mts

RESULTADOS DE LA MODELACIONRESULTADOS DE LA MODELACIONDeformaciones angulares.

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

0 1 2 3 4 5

Distancia al eje de calzada (mts)

Dis

tors

ión

An

gu

lar

(%)

NF=8,0 mts

NF=6,0 mts

NF=4,0 mts

CONCLUSIONESCONCLUSIONES..

Posibilidad de reproducción y análisis de las deformaciones Posibilidad de reproducción y análisis de las deformaciones inducidas en suelos sensibles a la acción del agua mediante inducidas en suelos sensibles a la acción del agua mediante el empleo de modelos de simulación sencillos.el empleo de modelos de simulación sencillos.

La definición de la curva característica suelo – agua La definición de la curva característica suelo – agua (relación entre succión y humedad) constituye el punto de (relación entre succión y humedad) constituye el punto de más compleja determinación. Resulta de interés la más compleja determinación. Resulta de interés la formulación de estudios tendientes a la identificación de formulación de estudios tendientes a la identificación de estas relaciones en distintos suelos.estas relaciones en distintos suelos.

Como solución preliminar puede recurrirse a referencias Como solución preliminar puede recurrirse a referencias bibliográficas o bases de datos para la identificación de bibliográficas o bases de datos para la identificación de estos parámetros.estos parámetros.

MODELOS DE PREDICCIÓN DEL COMPORTAMIENTO,según T.W.Lambe (1973)

Tipo de Predicción Cuando se hace la predicción Resultados al momento de laejecución de la predicción

A Antes del evento No disponibles

B Durante el evento No conocidosB-1 Durante el evento ConocidosC Después del evento No conocidos

C-1 Después del evento Conocidos

Requerimiento para una adecuada predicción Tipo A

El modelo teórico debe ser suficientemente detallado y correcto. Debe estarconfirmado in situ.

Se debe disponer de datos del suelo completos y detallados. Se debe poseer experiencia en circunstancias similares. Debe existir armonía entre las tensiones y deformaciones en la totalidad del proceso. El modelo debe considerar las particularidades introducidas por el proceso de

instalación. La ejecución de la construcción debe ser consistente y bien controlada.

A.F.Van Weele (1989).Prediction versus Performance

caracterizacion y comportamiento de terraplenes en condiciones no saturadas universidad nacional de...

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