Mecánica de suelos no saturados en la práctica de la ingeniería PDF

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Mecánica de suelos no saturados en la práctica de la ingenieríaDelwyn G. FredlundResumen: La mecánica de suelos no saturados se ha convertido rápidamente en parte de la práctica de la ingeniería geotécnica como resultado de soluciones que han surgió a una serie de problemas (o desafíos) clave. Las s...

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Me c á ni c ades ue l o snos a t ur adose nl apr á c t i c adel ai ng e ni e r í a De l wynG. Fr e dl un d Re s ume n:Lame c á n i c ades u e l o sn os a t ur a d oss eh ac o n v e r t i d or á p i d a me n t ee np a r t edel ap r á c t i c adel a i n g e n i e r í ag e o t é c ni c ac o mor e s ul t a d odes o l uc i on e sq u eha ns u r g i óaun as e r i edepr o b l e ma s( od e s a f í o s ) c l a v e . La ss o l u c i o ne sh a ns u r gi d od enu me r o s o se s t u di o sd ei n v e s t i g a c i ó nc e nt r a d o se nc u e s t i on e sq u et i e n e n u no b s t á c u l op a r ae lu s od el a me c á n i c a de s ue l o sn os a t u r a d o s .Lo sp r i n c i p a l e sde s af í o sp a r al a i mp l e me n t a c i ó nd el ame c á ni c ad es u e l o snos a t ur a d oss epu e dee nu n c i a rd el as i g u i e n t ema n e r a :( 1)La n e c e s i d a ddec omp r e n d e re lc omp o r t a mi e n t ot e ó r i c of un d a me n t a ld eu ns ue l oi n s a t ur a d o;( 2 )l af or mu l a c i ó n d ee c u a c i o ne sc on s t i t ut i v a sa d e c u a d a syl ap r u e b ad eu ni c i d a ddel a sr e l a c i o n e sc on s t i t ut i v a spr o p ue s t a s ;( 3 )l a c a p a c i d a dd ef or mu l a ryr e s o l v e run aomá se c ua c i o ne sd i f e r e n c i a l e sp a r c i a l e sn ol i ne a l e sq u eut i l i z a nmé t od o s n u mé r i c os ;( 4 )l ad e t e r mi n a c i ó ndet é c n i c a si n d i r e c t aspa r al ae s t i ma c i ónd el a sf u n c i on e sdep r op i e d a d e sde l s u e l oi n s a t ur a d o ,y( 5)d i s p o s i t i v osi ns i t uyd el a b o r a t o r i opa r al ame d i c i ó ndeu n aa mp l i ag a mad es ue l o s s u c c i o n e s . Es t ea r t í c u l oe xp l i c al an a t ur a l e z adec a d aun od el o sd e s a f í osa n t e r i o r e syd e s c r i b el a ss o l u c i on e s q ueh a ns u r g i d odel ai n v e s t i g a c i ó n.e s t u di o s .Lat e c n o l o g í ai n f or má t i c ah aj u g a d ou npa p e li mp o r t a n t ee ne l l o g r od es o l u c i on e sp r á c t i c a sd ei n g e n i e r í ag e o t é c n i c a .La t e c no l o g í ai n f o r má t i c at i e n ej u g ó un pa p e l i mp or t a n t ec onr e s p e c t oal ae s t i ma c i ó ndel a sf u n c i on e sd ep r o p i e d a dd e ls u e l oi n s a t ur a d oyl as ol u c i ó nd e p a r c i a l e sn ol i n e a l e se c u a c i o n e sd i f e r e n c i a l e s .Lo sa v a nc e se nl ame di c i ó ni ns i t uyd el a b o r a t o r i od el a s u c c i ó nd e ls u e l oe s t á np e r mi t i e n d ot e or í a sd es ue l o si n s a t ur a d osyf o r mul a c i on e sq u es ev e r i fic a r á nme di a nt e e lu s od e l" mé t o dodeo b s e r v a c i ón " .

Preámbulo Karl Terzaghi es más recordado por proporcionar el "efectivo estrés” variable, (σ- uw), que se convirtió en la clave para describir el mecánico de suelos saturados; donde σ = estrés total y u w = presión intersticial del agua. La variable de estrés efectivo se convirtió en descubrimiento unificador que elevó la ingeniería geotécnica a un base científica y contexto. Como estudiante de posgrado se me pidió que comprara y estudiara el libro de texto, Mecánica Teórica del Suelo , de Karl Terzaghi (1943). Yo ya había seleccionado el tema del comportamiento del suelo insaturado como mi campo de investigación y me sorprendió encontrar información considerable sobre este tema en este libro de texto. Dos de los 19 capítulos de el libro de texto contribuye ampliamente a la comprensión comportamiento del suelo urado; a saber, el Capítulo 14 sobre "Fuerzas capilares", y el Capítulo 15, sobre "Mecánica de drenaje" (con especial atención al drenaje por desecación). Estos capítulos enfatizan la importancia de la porción de suelo insaturado del perfil y en particular proporcionan una idea de la naturaleza fundamental y importancia de la interfaz aire-agua (es decir, piel contráctil). Se prestó mucha atención a los suelos con poros negativos. presiones de agua. La figura 1 muestra una presa de tierra que ilustra cómo el agua fluyó por encima de la línea freática a través de la zona capilar (Terzaghi 1943). Las contribuciones de Karl Terzaghi hacia El comportamiento de los suelos insaturados son verdaderamente encomiables y dignos de estudio. Referencia posterior al libro de texto Mecanismo teórico del suelo ics durante mi carrera, me ha hecho preguntarme: "¿Por qué ¿No surgió la mecánica del suelo insaturado simultáneamente con mecánica de suelos saturados? Reflexionar sobre esta pregunta me ha llevado a darse cuenta de que había varios desafíos teóricos y prácticos asociado con el comportamiento del suelo insaturado que necesitaba más buscar. Los mecánicos de suelos insaturados tendrían que esperar varios décadas antes, tomaría el carácter de una ciencia que podría utilizarse en la práctica rutinaria de ingeniería geotécnica. No sé que Karl Terzaghi haya propuesto alguna vez un descripción del estado de estrés en un suelo insaturado; sin embargo, su contemporáneo, Biot (1941), fue uno de los primeros en sugerir la uso

de dos variables de estado de tensión independientes al formular la teoría de la consolidación para un suelo insaturado. Este papel revisará una serie de extensiones teóricas clave que fueron necesarios para una representación y formulación más completa de Comportamiento del suelo insaturado. Investigación dentro de las disciplinas relacionadas con la agricultura fuertemente influyó en el modelo físico e hidráulico que Terzaghi desarrollado para la mecánica del suelo (Baver 1940). Con el tiempo, más lejos contribuciones significativas provienen de los sectores relacionados con la agricultura disciplinas (es decir, ciencia del suelo, física del suelo y agronomía) para geo- Ingeniería Técnica. Se puede decir que los ingenieros geotécnicos tendían a probar suelos aplicando tensiones totales a los suelos a través de el uso de edómetros y células triaxiales. Por otra parte, las contrapartes relacionadas con la agricultura tendían a aplicar tensiones a la fase acuosa (es decir, tensiones) mediante el uso de células de placa de presión. Eventualmente, los ingenieros geotécnicos se darían cuenta de la riqueza de información que se había acumulado en la agricultura disciplinas; información de valor para la ingeniería geotécnica. Debería prestarse mucha atención al procedimiento de prueba. duras y técnicas de prueba al transferir la tecnología en ingeniería geotécnica

Fi g .1.Unap r e s adet i e r r amo s t r a daporTe r z a ghi( 1943 )q uei l us t r aq ue e la guapu e deflui rpore nc i madel al í ne af r e á t i c aat r a v é sdel az onac a pi l a r

( r e i mp r e s oc o np e r mi s odeEr LCTe r z a ghi )

Ene s t ea r t í c ul os ei nt e nt ada rl at e or í adel oi ns a t i s f a c t or i our a t e dl ame c á n i c ade ls ue l oe ns u l e gí t i ma pos i c i ón .Te r z a ghi( 1943 )d e c l a r óq ue " l a st e or í a s de l a me c á ni c a de ls ue l o no s pr opo r c i on a ns ól ol a h i pó t e s i sdet r a ba j o ,po r qu enue s t r oc o noc i mi e nt ode lpr ome di opr opi e da d e sf í s i c a sde ls ue l ode l s ub s ue l oyl ao r i e n t a c i ónde lLo sl í mi t e se nt r el ose s t r a t osi ndi v i du a l e ss o ns i e mp r ei nc ompl e t os . y ame nu do c o mpl e t a me n t ei na de c u a do" .Te r z a ghi( 19 43)t a mb i é ne nf a t i z ól ai mpo r t a nc i ade e s t a b l e c e rc l a r a me nt et odosl o ss u pue s t oss ob r el osq uel a st e or í a ss eb a s a nys e ña l a nq uec a s it od os l os" supuestos La contradicción entre la teoría y la práctica se remonta a a l g úne r r ors ob r el a s c ondi c i on e spa r al av a l i de zdel at e or í a . "Ya ss uc on s e j odel ospr i me r osda sdel ame c a n i z a c i nde l s ue l oi c se se xt r e ma da me nt er e l e v a n t ey aqu el a st e or í a spa r as ue l osi n s a t ur a doss ec omp or t a mi e nt o s onl l e v a do sal ae t a pade" i mp l e me nt a c i ón "e ng e ot e c n i aI n g e ni e r i a . Introducción Pr i nc i pi osf un da me n t a l e spa r ac ompr e nde re lc ompor t a mi e nt odes ue l oss a t ur a d oss ur gi e r o nc one l c onc e p t odee s t r é se f e c t i v oe ne l19 30( Te r z a gh i1943 ) .Pa r e c í aha b e runi nt e r é sc on s i de r a bl ee ne l c ompor t a mi e nt odes ue l osi ns a t ur a dose nl aPr i me r aI nt e r na c i on a lJ o r na dad eMe c á n i c adeSue l ose I n g e n i e r í ad eCi me nt a c i one se n1936 ,p e r ol ospr i nc i pi osf und a me nt a l e sne c e s a r i o spa r af or mul a r Lame c á n i c ades ue l osi ns a t ur a d osne c e s i t a r í a nmá squ eo t r os30a ño sporv e n i r .Ev e nt ua l me n t e ,u n c on j unt oba s a doe nt e or í adel a sv a r i a bl e sdee s t a dod et e ns i ónpa r auns ue l oi ns a t ur a dos e pr opon dr í ad e nt r od e lc ont e xt odel ame c á ni c ade lc ont i nuomul t i f á s i c o( Fr e dl undyMor g e n s t e r n 19 77) . Ha habido una serie de desafíos (es decir, problemas o dificultades) que han ralentizado el desarrollo y la implementación de la mecánica del suelo insaturado (Fredlund 2000). Cada uno de Estos desafíos han brindado la oportunidad de desarrollar nuevos e innovadoras soluciones que permiten a los mecánicos de suelos insaturados formar parte de la práctica de la ingeniería geotécnica. Ha sido necesario para que los ingenieros geotécnicos adopten una nueva "mentalidad” hacia la evaluación de la propiedad del suelo para suelos insaturados (Fredlund et al. 1996). El objetivo principal de este artículo es ilustrar el progreso desde el desarrollo de teorías y formulaciones hasta protocolos prácticos de ingeniería para una variedad de suelos insaturados Problemas mecánicos (p. ej., filtración, resistencia al corte y volumen cambio). El uso de medios de caracterización "directos" e "indirectos" Las funciones de propiedad del suelo insaturado ha sido fundamental para la aparición de la mecánica del suelo insaturado. Los desafíos clave enfrentados en el desarrollo de la mecánica de suelos insaturados son se describen y se presentan los resultados de la investigación que han hecho es posible implementar la mecánica de suelos insaturados en geotecnología práctica de ingeniería técnica. Se presentan una serie de problemas de mecánica de suelos insaturados. ilustrar los procedimientos y la metodología necesarios para obtener soluciones significativas a los problemas. Caso completo y detallado No se presentarán historias, pero se proporcionará suficiente información para ilustrar los tipos de soluciones de ingeniería que son factible.

Aparición gradual de la mecánica de suelos no saturados

Estudios de laboratorio experimentales a finales de la década de 1950 (Bishop et al. 1960) mostró que era posible medir de forma independiente (o controlar) las presiones de poro-agua y poro-aire mediante el uso de Discos cerámicos de alta entrada de aire. Se informaron estudios de laboratorio durante la próxima década que reveló diferencias fundamentales entre el comportamiento de suelos saturados e insaturados. Los estudios También revelaron que había desafíos importantes que debían Ser dirigido. Las pruebas de laboratorio de suelos insaturados demostraron ser lento y exigente desde el punto de vista técnico. El enfoque habitual en las constantes de propiedad del suelo se desvió hacia el estudio de las funciones de propiedad del suelo insaturado no lineal. La mayor complejidad del comportamiento del suelo insaturado extendido desde el laboratorio a formulaciones teóricas y soluciones. Originalmente, se buscaba un método eficaz de valor único ecuación de estrés para suelos insaturados, pero a fines de la década de 1960, Cada vez era más consciente de que el uso de dos las variables del estado de tensión proporcionarían un enfoque más consistente con los principios de la mecánica del continuo (Fredlund y Morgenstern 1977). La década de 1970 fue un período en el que las relaciones constitutivas se propusieron y estudiaron áreas clásicas de la mecánica de suelos con respeto a la singularidad (Fredlund y Rahardjo 1993). Inicialmente, comportamiento constitutivo centrado principalmente en el estudio de la filtración, problemas de resistencia al cizallamiento y cambio de volumen. Gradualmente se convirtió aparente que el comportamiento de los suelos insaturados podría verse como una extensión natural del comportamiento del suelo saturado (Fredlund y Morgenstern 1976). Posteriormente, numerosos estudios intentaron combinar el cambio de volumen y la resistencia al cizallamiento en forma de elasto-modelos de plástico que eran una extensión del suelo saturado rango a condiciones de suelo insaturado (Alonso et al. 1990; Wheeler y Sivakumar 1995; Blatz y Graham 2003). El estudio de la con-transporte de taminantes y propiedades térmicas del suelo para insaturados Los suelos también tomaron la forma de funciones de propiedad del suelo no lineales. (Newman 1996; Lim et al. 1998; Pentland et al. 2001) La década de 1980 fue un período en el que los problemas de valores en resuelto usando modulo numérico, elemento y diferencia finitos métodos eling. Se requerían computadoras digitales e iterativas, las soluciones numéricas se convirtieron en la norma. El desafío fue encontrar técnicas que aseguran la convergencia de altamente no lineales ecuaciones diferenciales parciales de forma rutinaria (Thieu et al. 2001; Fredlund y col. 2002a, b, c). Modelo de filtración saturada-insaturadaing se convirtió en el primero de los problemas de suelos insaturados por venir en la práctica común de la ingeniería. Preocupación por la mayordomía hacia el medio ambiente promovió aún más el interés en la filtración y modelado geoambiental, advección-dispersión. La década de 1990 y los años posteriores se han convertido en un período en el que ha sido un énfasis en la implementación de suelos insaturados la mecánica en la práctica rutinaria de la ingeniería geotécnica. Una serie de conferencias internacionales se han dedicado al intercambio de información sobre el comportamiento de ingeniería de suelos insaturados y se ha hecho evidente que ha llegado el momento de aumentar uso de la mecánica de suelos no saturados en la práctica de la ingeniería. La implementación se puede definir como "un paso único e importante que aporta teorías y soluciones analíticas a la ingeniería práctica ”(Fredlund 2000). Hay varias etapas en el desarrollo de una ciencia que debe integrarse de forma eficiente y de manera apropiada para que la implementación se convierta en una realidad. Las etapas primarias sugeridas por Fredlund (2000), son como sigue: (1) Variable de estado; (2) constitutivo; (3) formulación; (4) solución; (5) diseño; (6) verificación y seguimiento; y (7) implementación. Se requiere investigación para todo lo anterior-etapas mencionadas para que sea práctico, eficiente, rentable, y surgen tecnologías apropiadas.

Pr i nc i pal e sde s af í o spa r al ai mpl e me nt a c i ó ndel ame c á ni c ades ue l o snos a t ur a do s Hay una serie de desafíos principales que deben ser abordado antes de que la mecánica de suelos insaturados pudiera convertirse en una parte de la práctica rutinaria de la ingeniería geotécnica. Varios de los desafíos se identifican aquí. Cada desafío tiene un asociado solución que se desarrolla más a lo largo del manuscrito. En algunos casos ha sido necesario adoptar un nuevo enfoque para resolución de problemas relacionados con suelos insaturados. En este documento, se intenta describir las técnicas y procedimientos que se han utilizado para superar los obstáculos a la implementación; así preparando el camino para una aplicación más generalizada de insaturados mecánica de suelos. Desafío 1 : El desarrollo de una base teóricamente sólida para describir el comportamiento físico de suelos insaturados, comenzando con las variables de estado apropiadas. Solución 1 : la adopción de variables de estado de tensión independientes basado en la mecánica del continuo multifásico ha formado la base para describir el estado de tensión independientemente de las propiedades del suelo. Las variables de estado de tensión se pueden utilizar para desarrollar modelos constitutivos. Desafío 2 : Relaciones constitutivas comúnmente aceptadas para el comportamiento del suelo saturado necesitaba ampliarse para describir también el comportamiento del suelo insaturado. Solución 2 : Gradualmente se hizo evidente que todos los elementos constitutivos, las relaciones para el comportamiento del suelo saturado podrían extenderse para abarcar el comportamiento del suelo insaturado y por lo tanto formar una transición suave entre condiciones de suelo saturado e insaturado. En cada caso, es necesario realizar estudios de investigación para verificar la singularidad de las relaciones constitutivas ampliadas. Desafío 3 : No linealidad asociada con la diferencia parcial, las ecuaciones iniciales formuladas para el comportamiento de suelos insaturados dieron como resultado procedimientos iterativos para llegar a una solución. La convergencia de ecuaciones diferenciales parciales altamente no lineales demostró será un desafío serio. Solución 3 : Las soluciones informáticas para modelos numéricos tienen generación automática de malla reforzada, optimización automática de malla, y refinamiento automático de malla conocido como refinamiento de cuadrícula adaptativa (AGR), y estas técnicas han demostrado ser de gran utilidad asistencia en la obtención de convergencia al resolver ecuaciones diferenciales reales. Próximos procedimientos de solución de las disciplinas de las matemáticas y la informática. Desafío 4 : Se requirieron costos y tiempo mucho mayores para el ensayo de suelos insaturados. Además, equipo de laboratorio para medir las propiedades del suelo insaturado ha demostrado ser una tecnología unicamente exigente y bastante complejo de operar. Solución 4 : Procedimientos de estimación indirectos para la caracterización de las funciones de propiedad del suelo insaturado se relacionó con la curva característica suelo-agua (SWCC) y el suelo saturado propiedades. Han surgido varios procedimientos de estimación para cada de las funciones de propiedad del suelo insaturado. La computadora también tiene jugó un papel importante en el cálculo de la propiedad del suelo insaturado funciones. Desafío 5 : Presiones de agua de poro altamente negativas (es decir, succiones mátricas superiores a 100 kPa), han demostrado ser difíciles medir, especialmente en el campo. Solución 5 : Nueva instrumentación como la directa, de alta succión tensiómetro de ionización, y la succión de conductividad térmica indirecta sensor, han proporcionado nuevas técnicas de medición para el laboratorio y campo. Otros sistemas de medición también son mostrando promesa. Estos dispositivos permiten medir las succiones sobre una gama considerable de succiones matriciales. El tipo nulo, eje la técnica de traducción sigue siendo un procedimiento de referencia de laboratorio para la medida de la succión matricial.

Desafío 6 : Nuevas tecnologías como las propuestas para la mecánica de suelos insaturados no siempre es fácil de incorporar práctica de ingeniería. La implementación de suelo insaturado. los hallazgos de la mecánica en la práctica de la ingeniería ha demostrado ser un desafío. Solución 6 : Materiales educativos y sistemas de visualización. se han reunido para ayudar en la transferencia de tecnología eficaz (Fredlund y Fredlund 2003). Estos son parte de la enseñanza y demostrar los conceptos de comportamiento de suelos insaturados; información que necesita ser incorporada en la licenciatura y plan de estudios de posgrado en universidades. Protocolos para ingeniería se están desarrollando prácticas para todas las áreas de aplicación de la geotecnología. ingeniería. Los cambios son necesarios en la práctica de la ingeniería geotécnica para que se implemente la mecánica de suelos insaturados. Cada desafío se ha enfrentado con una solución definitiva y práctica. En el caso de la determinación de la propiedad del suelo insaturado funciones se ha requerido un cambio de paradigma significativo (Houston 2002). Aparecen los nuevos enfoques que se han desarrollado para proporcionar procedimientos rentables para la determinación de funciones de propiedad del suelo insaturado para todas las clases de problemas. (Fredlund 2002).

Visualización de laboratorio y campo de diversos grados de saturación Las cond...