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Oferta de una beca pre-doctoral para el doctorado de Ingeniería del Terreno

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(asociada al Proyecto "Métodos de partículas en geomecánica-PARTING" del Ministerio de Economía y Competitividad)
Directores del Proyecto: Prof. E. Alonso y Dr. N. Pinyol
Directores de la Investigación: Prof. E. Romero y Prof. E. Alonso
Financiación: Solicitud beca pre-doctoral del Ministerio (antiguos FPI) o de la Generalitat (FI)

Contactar con eduardo.alonsoarrobaupc.edu o nuria.pinyolupc.edu

DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROYECTO

Se pretende desarrollar una nueva generación de métodos avanzados de análisis geotécnico caracterizados por representar los suelos o rocas mediante “puntos materiales” (el Método del Punto Material –MPM) o mediante partículas propiamente dichas (el Método del Elemento Discreto –DEM).
El Proyecto se articula en tres áreas diferenciadas: MPM, DEM y Validación de los modelos que se desarrollen. En el área MPM se plantea la formulación del método para materiales bifásicos (suelos saturados) y trifásicos (suelos no saturados). El principal objetivo es abordar la fase de transición estática-dinámica de los deslizamientos y su posterior propagación. En el método DEM se quiere llegar a modelos más realistas que los disponibles en la actualidad. En concreto, se propone la simulación de geometrías razonablemente realistas de la forma de partículas y la implementación de criterios de rotura con el objetivo de incorporar de efectos importantes: deformaciones diferidas, efectos ambientales (humedad relativa) y efectos de escala (tamaño de partículas). La validación se centra en varios aspectos: a) La comparación, frente a un problema común que no implique grandes desplazamientos, de soluciones alcanzadas con el Método de Elementos Finitos y el MPM; b) La puesta a punto de un modelo a escala de Laboratorio para la simulación de la rotura de un talud c) la realización de ensayos sobre muestras de partículas gruesas y d) La simulación de casos reales.
Se resalta que parte del trabajo se realizará en consorcio con las Universidades de Delft (Deltares) y Cambridge (RU) con objeto de tener acceso a nuevas aplicaciones y desarrollos de interés común.

PROPUESTAS DE INVESTIGACIÓN

DEM_Experimental

La propuesta se centra en la validación de los métodos DEM y en particular en el ensayo de muestras de partículas gruesas bajo condiciones de humedad relativa controlada y la visualización, registro en tiempo real e interpretación de los procesos de deformación.

Fases de la investigación:
  • Diseño y construcción de una célula de ensayo.

    Se diseñará una cámara de ensayo donde se situará un material tipo grava con una ventana de vidrio transparente de unos 10 cm de diámetro. La base superior de la célula será un pistón móvil que permitirá la aplicación de carga vertical sobre las muestras, para ello se utilizará alguna de las prensas disponibles en el laboratorio. En la cámara se forzará la circulación de aire con humedad relativa impuesta mediante disoluciones salinas y se permitirá la saturación de las muestras por inundación. Se trata de poder visualizar y registrar con una cámara digital a través de la ventana de vidrio el movimiento tanto de traslación como de rotación de las partículas.

  • Realización de ensayos y análisis de resultados.

    Se ensayarán materiales granulares de diversa composición mineralógica y con distintas formas de grano (lajas, redondeados, con caras planas). Se estudiará el efecto de la carga y de la humedad relativa en la deformación del esqueleto sólido y en la rotura de los granos. A partir de los fotogramas y mediante técnicas de reconocimiento de imagen se validarán los modelos numéricos de tipo D.E.M. Por otra parte, se estudiará, utilizando el software adecuado (tipo Image Pro Plus), el proceso de formación de fisuras y rotura de partículas y se contrastarán estas medidas con las predicciones de los modelos y los cambios de granulometría medidos tradicionalmente.

MPM_DEM_Experimental

La propuesta se centra en la validación del método MPM y en particular en la simulación a escala de laboratorio de un talud, su rotura de forma controlada y la visualización, registro en tiempo real e interpretación del movimiento.

Fases de la investigación:
  • Diseño y construcción de un tanque para ensayos a escala reducida.

    Se diseñará y construirá un tanque con paredes laterales (del orden de 2 m de largo y 1 m de largo) de vidrio transparente donde se situará un talud de arena. Estas paredes verticales estarán separadas una distancia pequeña (unos 15 a 20 cm) a fin de que los movimientos en el tanque sean fundamentalmente bidimensionales. El tanque estará apoyado en una base reclinable de forma controlada. En la base y una de las paredes verticales se situarán toberas que permitirán la inyección de aire o agua a presión en el tanque. La generación de presión de aire o de agua permitirá una fluidización de la arena y obtener desplazamientos importantes del pie del talud. Mediante una cámara de video capaz de filmar a gran velocidad se obtendrán fotogramas que permitirán seguir el movimiento de las partículas de arena. Por otra parte, mediante un sensor láser se registrarán los movimientos de la superficie de la arena.

  • Realización de ensayos y análisis de resultados.

    El objetivo de los ensayos será generar un deslizamiento en el talud de arena y realizar un seguimiento tanto de la evolución de la superficie del suelo como del movimiento de granos de arena individuales. Se realizarán ensayos generando la rotura por diversos procedimientos, tales como la carga de la cabeza del talud, la inyección de aire en zonas localizadas de la base, el aumento de la inclinación de la base, etc. A partir de las imágenes filmadas se podrán reconstruir los movimientos de los granos de arena y validar los modelos numéricos basados en el método de las partículas.

MPM_Energía_Calor

La propuesta se centra en la formulación y desarrollo de procedimientos de cálculo que incluyan la generación de calor en bandas de corte y el desarrollo asociado de incrementos de presión intersticial. Los efectos termo-hidro-mecánicos se introducen con el fin de simular la los deslizamientos translacionales rápidos, que son especialmente destructores. Algunos de los deslizamientos rápidos ocurridos se explican por la generación de presión de agua consecuencia de la dilatación del agua, debido al incremento de temperatura ocasionado por la disipación en forma de calor del trabajo friccional generado a lo largo de la superficie de deslizamiento. El caso más documentado es el deslizamiento de Vaiont en Italia en 1963, pero existen varios casos recientes en Asia y América de catastróficas consecuencias socio-económicas. El objetivo último de este apartado es la resolución de problemas termo-hidro-mecánicos acoplados aplicados a los deslizamientos.

Fases de la investigación:

Se deberán identificar, en primer lugar, las dificultades numéricas del problema a resolver. La banda de corte donde se localizan los procesos termo-hidro-mecánicos es una zona relativamente pequeña comparado con las dimensiones de los deslizamientos. Esto conlleva una limitación importante en cuanto a la definición de la malla y la modelación precisa de la superficie de deslizamiento y de los procesos de generación y disipación de calor. Se deberá profundizar en este campo y en las técnicas numéricas disponibles.
Una opción relativamente sencilla para obtener los primeros resultados y evaluar los efectos termo-hidro-mecánicos es la definición de una discontinuidad fuerte para modelar la superficie de rotura. La discontinuidad se definiría mediante puntos materiales que se desplazan durante la solución. La resistencia al corte a lo largo de la superficie se define función del desplazamiento relativo y de la tensión normal. La temperatura y presión de agua se almacena en las partículas. El trabajo plástico generado se utiliza para el cálculo del término fuente de calor que se introduce en la ecuación de energía. La formulación acoplada, imprescindible para poder explicar los fenómenos observados que se pretenden modelar, implica que la nueva variable de estado afectará el resto de ecuaciones de gobierno desde el momento que la densidad, el grado de saturación y las fracciones másicas de aire variarán con la temperatura.
La validación se realizará tomando algunos problemas teóricos existentes en la literatura, comparando los resultados con simulaciones realizadas con el programa de elementos finitos Code_Bright disponible en el Departamento y también con resultados experimentales obtenidos en el laboratorio.

MPM_Licuefacción

La propuesta aborda un aspecto de gran relevancia práctica en suelos granulares o muy poco plásticos, saturados y sometidos a carga rápida o repetitiva (terremotos, acción del oleaje). Es un tema ampliamente estudiado en la literatura pero, sin embargo, pocas veces ha sido enfocado con el objetivo de integrar en un método unificado de cálculo la iniciación de la licuefacción y la posterior propagación o desarrollo de la rotura. El MPM tiene la capacidad de abordar este problema unificado.

Fases de la investigación:
  • Familiarización con la investigación sobre licuefacción publicada en revistas de referencia. Estudio de los modelos constitutivos desarrollados (plasticidad generalizada; modelos basados en estado crítico) y valoración de sus capacidades y adaptación a la investigación que se propone. En paralelo se estudiará el programa de MPM disponible y, en particular, la incorporación de modelos constitutivos alternativos a los ya instalados.
  • Modificación del Programa MPM para su adaptación al análisis de la licuefacción. La adaptación se hará paso a paso y se simularán inicialmente ensayos cíclicos descritos en la literatura (corte simple o triaxial cíclico). Se dispone también de ensayos en modelo físico a escala de laboratorio y condiciones controladas que suponen el paso siguiente para la validación del modelo desarrollado.
  • Estudio de dos roturas, atribuibles a la licuefacción de suelos areno-limosos en suelos del Delta del Llobregat en Barcelona. Las roturas afectaron a cajones de hormigón que constituían obres de defensa frente a oleaje o bien de muelles en construcción. Los casos están razonablemente bien documentados y ofrecen la posibilidad de simular el inicio de la rotura y su evolución posterior.
Diseño y construcción de una célula de ensayo
Última modificación: Septiembre 2014

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