caracterizacion y comportamiento de terraplenes en condiciones no saturadas universidad nacional de...
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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
UNIVERSIDAD NACIONAL DE CORDOBA
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
UNIVERSIDAD NACIONAL DE CORDOBA
ASPECTOS DE INTERES
UNIVERSIDAD NACIONAL DE CORDOBA
•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
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
ESTABILIDAD AL DESLIZAMIENTOESTABILIDAD AL DESLIZAMIENTO
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
EJEMPLO ESTABILIDAD DE TALUDESEJEMPLO ESTABILIDAD DE TALUDES
EJEMPLO ESTABILIDAD DE TALUDESEJEMPLO ESTABILIDAD DE TALUDES
EJEMPLO ESTABILIDAD DE TALUDESEJEMPLO ESTABILIDAD DE TALUDES
EJEMPLO ESTABILIDAD DE TALUDESEJEMPLO ESTABILIDAD DE TALUDES
EJEMPLO ESTABILIDAD DE TALUDESEJEMPLO ESTABILIDAD DE TALUDES
ANALISIS TENSO - DEFORMACIONALANALISIS TENSO - DEFORMACIONAL
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
EJEMPLO 3. MODELO ELEMENTO FINITO - FILTRACIONES
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