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34220 - COMPORTAMIENTO DE LOS SUELOS Y MODELACIÓN AVANZADA

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Responsable académico: Jean VAUNAT
Tipo Optativa
Cuatrimestre 1
ECTS 5
Periodicidad de la oferta Anual
Idioma Castellano/Inglés
(el material se darà en inglés)

Prerequesitos

Se requiere conocimientos básicos en mecánica de suelos y mecánica de medios continuos.

Objetivos

El objetivo del curso consiste en proporcionar las bases para analizar y modelar la respuesta de los suelos. El curso tratará de la descripción de la respuesta fenomenológica de los suelos y del desarrollo de los modelos para representar esta respuesta. Se centrará en los modelos desarrollados en el marco de la teoría de la elastoplasticidad, desde modelos históricos basados en la teoría de la plasticidad con una sola superficie de fluencia hasta los modelos más recientes basados en la plasticidad con múltiples superficies, superficies imbricadas, “bounding plasticity” y plasticidad generalizada. Se proporcionará en la medida que sea posible la base termodinámica de los modelos presentados. Se enfatizará en especial la representación de los efectos de fábrica y estructura del suelo, así como la representación de la respuesta post-pico del material y del proceso de localización de la deformación. No se tratará el efecto del tiempo (fluencia viscosa). El curso está orientado a estudiantes que realicen su investigación en temas de Mecánica de Suelos.

Contenidos

El curso se compone de 4 partes:

  • Nociones básicas para analizar y representar la respuesta de los suelos
  • Fenomenología del comportamiento de los suelos: descripción de los aspectos principales de la respuesta de los suelos tal y como se observa en los ensayos de laboratorio y/o de campo
  • Modelación constitutiva del comportamiento de los suelos: descripción de los modelos principales usados en la Mecánica de Suelos para reproducir las características fenomenológicas presentadas anteriormente
  • Análisis de un caso real: descripción de las ventajas proporcionadas por los modelos avanzados para comprender los mecanismos relevantes en un problema real (por determinar)

En cada una de las partes, la información se distribuirá a lo largo de 3 ejes:

  • Conocimiento científico
  • Marco metodológico (ubicación del conocimiento en marcos generales útiles para su desarrollo posterior
  • Perspectiva histórica (trabajos importantes, autores, artículos, polémicas significativas)

El curso se dividirá en 10 clases de aproximadamente 3 horas, repartidas de la seguiente manera:

  • Parte I : nociones básicas
    • Introducción. Presentación del curso, de la metodología docente, del tipo de evaluación, presentación por parte de los estudiantes. Introducción sobre el contenido: descripción de los tipos de suelo considerados – arcillas y limos reconstituidos en el laboratorio, arcilla y limo naturales, roca arcillosa, arenas, arenas cementadas, greses, suelos intermedios –, algunos datos históricos sobre modelación constitutiva de los suelos, presentación de la bibliografía.
    • Variables de control de la respuesta de los suelos. Recordatorio sobre noción de tensión y deformación, noción de tensión efectiva (perspectiva histórica), noción de fábrica y estructura.
    • Ensayos de laboratorio en suelos. Ensayos disponibles para analizar la respuesta de los suelos (descripción breve del ensayo, caminos de tensiones que se pueden aplicar, parámetros del material que se puede obtener). Se enfatizará el análisis de ensayos avanzados como son la célula triaxial tridimensional, el cilindro vacío, etc.
  • Parte II : fenomenología
    • Comportamiento de arcillas y limos en estado remodelado. Noción de superficie límite, estado crítico, comportamiento en la superficie límite (módulos a muy pequeñas deformaciones, cambios de módulos a deformación mayor y aparición de deformaciones irreversibles en la superficie de fluencia). Efecto de la anisotropía. Efecto de la rotación de los ejes principales de tensión y efecto de la historia de carga y deformación. Estado residual en arcillas plásticas.
    • Comportamiento de arcillas y limos naturales y de rocas arcillosas. Efecto de la micro-estructura en arcillas blandas. Efecto de la porosidad y del envejecimiento de las arcillas duras. Efecto de la meso-estructura (fisuración y fracturación) en arcillas duras y rocas arcillosas.
    • Comportamiento de arenas. Criterio de rotura por corte, deformaciones irreversibles por compresión, fenómeno de rotura de granos. Efecto de la densidad, fenómeno de dilatancia y respuesta post-pico. Resistencia a grandes deformaciones. Módulos a muy pequeñas deformaciones y deformaciones irreversibles a bajo nivel desviador. Efecto de deposición y anisotropía. Efecto de la historia de carga y deformación.
    • Comportamiento de arenas cementadas, greses y suelos intermedios. Efecto de la cimentación e imbricación de granos. Respuesta post-pico. Algunas nociones sobre respuesta de suelos intermedios.
  • Parte III : modelación
    • Plasticidad con superficie única para suelos. Nociones básicas de plasticidad con superficie de fluencia única y endurecimiento. Aplicación al caso de arcillas y limos en estado remodelado: modelos de Cam clay original y modificado. Ventajas e inconvenientes del modelo de Cam clay y mejoras recientes (familia de superficies de Lagioia & Puzrin, 1996; elasticidad conservativa, forma de la superficie de fluencia en el plano desviador). Generalización: modelos de estado crítico.
    • Plasticidad con superficies múltiples para suelos. Nociones básicas de plasticidad con múltiples superficies de fluencia y endurecimiento. Aplicación al caso de arenas: modelo de Lade, ventajas e inconvenientes. Otros modelos basados en multi-mecanismos.
    • Plasticidad avanzada para suelos. Introducción del efecto de la estructura mediante la dependencia del módulo de endurecimiento en función de parámetros que se degraden. Plasticidad con superficies imbricadas. “Bounding plasticity” y plasticidad generalizada. Ilustración de la extensión mediante modelos avanzados del modelo Cam clay y de Lade. Ejemplos de aplicaciones a diversos tipos de suelo. Ventajas e inconvenientes de cada una de las familias de modelo.
    • Respuesta post-pico de los suelos. Condiciones de estabilidad en suelos: nociones básicas de estabilidad, estabilidad bajo control de deformaciones y tensiones, estabilidad bajo control mixta. Aplicación al análisis de la respuesta de pico a caminos típicos de los diversos ensayos de laboratorio.
    • Localización a suelos. Nociones básicas sobre localización de la deformación a suelos. Interpretación en términos de estabilidad. Localización en arenas densas, arcillas y greses.
    • Aspectos termomecánicos. Nociones breves de potenciales termodinámicos. Discusión sobre su extensión al caso de materiales porosos. Problemas asociados a la aplicación de la termomecánica en los suelos. Teoría de la hiperplasticidad. Ventajas obtenidas.
  • Parte IV : ejemplo
    • Análisis de un caso real

Enfoque de la metodología docente

Los desarrollos más teóricos se impartirán en la pizarra. Se acompañarán de transparencias y vídeos en el caso de la descripción de la respuesta fenomenológica de los suelos. Se realizará una visita al laboratorio de Mecánica de Suelos al final de la clase sobre ensayos de laboratorio. Para las clases sobre modelación, se proporcionará un “driver” de integración de modelos constitutivos que podrá utilizarse para correr modelos implementados, o para implementar un nuevo modelo en el marco de un trabajo de evaluación.

Método de evaluación

El método de evaluación se realizará mediante un examen de conocimiento general y un trabajo que se llevará a cabo durante todo el curso.

Recursos para la enseñanza

Fenomenología de los suelos

  • Alonso, E., A. Gens i D.W. Hight (1987) Special Soil problems. General report. Proc. 9th European Conf. Soil Mech. Fdn Engng, Dublin, vol. 3, pp. 1087-1146.
  • Burland, J. (1990) On the compressibility and strength of natural clays. Géotechnique, vol. 40, no. 3, pp. 329-378.
  • Jardine, R.J. (1992) Some observations on the kinematic nature of soil stiffness, Soils and Foundations, 32(2):111-124.
  • Jardine, R.J., A. Gens, D.W. Hight i M.R. Coop (2004) Developments in understanding soil behaviour, In R.J. Jardine et al. (eds.): “Advances in geotechnical engineering: the Skempton Memorial”, Institution of Civil Engineers, London, Regne Unit, pp. 103-206.
  • Lade, P.V. i R. De Boer (1997) The concept of effective stress for soil, concrete and rock. Géotechnique, vol. 47, no. 1, pp. 61-78.
  • Leroueil, S. i P.R. Vaughan (1990) The general and congruent effects of structure in natural soils and weak rocks. Géotechnique, vol. 40, no 3, pp. 467-488.
  • Leroueil, S. i D.W. Hight (2002) Behaviour and properties of natural soils and soft rocks. In Tan et al. (eds), Characterisation and Engineering Properties of Natural soils: 29-254. Lisse : Swets & Zeitlinger, Lisse, Paisos Baixos.
  • Mc Dowell, G.R., Y. Nakata i M. Hyodo (2002) On the plastic hardening of sand. Géotechnique, vol. 52, no. 5, pp. 349-358.
  • Mitchell, J.K. i K. Soga (2005) Fundamentals of Soil Behavior. 3rd Edition, John Wiley & Sons, Inc., New York, EUA, 542 p.
  • Santamarina, J.C. (2001) Soils and waves. John Wiley & Sons, New York, EUA.

Modelación

  • Alonso, E.E., Gens A. i Josa A. (1990) A constitutive model for partially saturated soils. Géotechnique 40(3): 405-430.
  • Chen, W.F. i E. Mizuno (1990) Non linear analysis in Soil Mechanics. Theory and implementation. Elsevier, New York, EUA.
  • Davis, R.O i A.P.S. Selvadurai (1996) Elasticity and Geomechanics. Cambridge University Press, Cambridge, EUA.
  • Davis, R.O i A.P.S. Selvadurai (2002) Plasticity and Geomechanics. Cambridge University Press, Cambridge, EUA.
  • De Boer, R. (2000) Theory of Porous Media. Highlights in the Historical Development and Current State. Springer Verlag, Berlin, Alemania.
  • Gens, A. i R. Nova (1993) Conceptual bases for a constitutive model for bonded soils and weak rocks. In A. Agagnostopoulos et al. (eds): “Proc. Symp. on Geotechnical Engineering of Hard Soils – Soft Rocks”, Balkema, Rotterdam, Paisos Baixos, pp. 485-494.
  • Collins, I.F. i G. Houlsby (1997) Application of thermomechanical principles to the modelling of geotechnical principles. Proc. Roy. Soc. London A, vol. 453, pp. 1975-2001.
  • Houlsby, G.T. I Puzrin, A.M. 2006. Principles of hyperplasticity. An approach to plasticity theory based on thermodynamic principles. Springer Verlag, London, Regne Unit, 351 p.
darrera modificació: Juliol 2012
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