Teoría de Hertz para deformaciones elastoplásticas en suelos parcialmente saturados

Los suelos parcialmente saturados son frecuentes en la construcción de carreteras. Los modelos de compactación más comunes de este tipo de suelos consideran únicamente el rango elástico de deformaciones, ignorando las deformaciones plásticas que tienen lugar. Por otro lado, los modelos de elementos...

Full description

Autores:
Escobar Rincón, Andrés Felipe
Tipo de recurso:
Fecha de publicación:
2020
Institución:
Universidad de los Andes
Repositorio:
Séneca: repositorio Uniandes
Idioma:
spa
OAI Identifier:
oai:repositorio.uniandes.edu.co:1992/48427
Acceso en línea:
http://hdl.handle.net/1992/48427
Palabra clave:
Suelos
Mecánica de suelos
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Ingeniería
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description Los suelos parcialmente saturados son frecuentes en la construcción de carreteras. Los modelos de compactación más comunes de este tipo de suelos consideran únicamente el rango elástico de deformaciones, ignorando las deformaciones plásticas que tienen lugar. Por otro lado, los modelos de elementos finitos tienen la capacidad de simular este tipo de contacto a un elevado costo computacional. Por esta razón, es propuesto una solución analítica distribuida en el dominio del suelo para simular el contacto entre un cilindro y un suelo parcialmente saturado con una carga incremental. El esfuerzo aplicado por el cilindro sobre el suelo es asumido como una distribución de Hertz. Este esfuerzo es distribuido en el suelo usando las ecuaciones analíticas de Boussinesq con el factor de concentración de Frhlich. A partir de los esfuerzos obtenidos, se asume una condición de esfuerzos planos. Las deformaciones en el suelo son calculadas usando el modelo básico de Barcelona para hallar el asentamiento del suelo. Los resultados obtenidos del modelo presentado son validados con experimentos en centrífuga a una aceleración de 10g. En estos experimentos, un modelo a escala 1:10 del cilindro de un compactador es usado sobre un caolín previamente preparado a una humedad establecida. El esfuerzo de pre-consolidación es usado como única variable en los experimentos realizados. Los resultados del modelo muestran una correlación con los resultados obtenidos en los experimentos de centrífuga. A valores bajos del esfuerzo de pre-consolidación, se observan grandes asentamientos del cilindro. En cambio, a elevados valores, el asentamiento es limitado a pocos milímetros. Los resultados obtenidos, permiten estimar con precisión el proceso de compactación de un cilindro sobre un suelo parcialmente saturado sin el consumo de tiempo y recursos que requieren los modelos de elementos finitos. Por lo anterior, es propuesta la implementación de cargas cíclicas en futuros desarrollos del modelo
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Por otro lado, los modelos de elementos finitos tienen la capacidad de simular este tipo de contacto a un elevado costo computacional. Por esta razón, es propuesto una solución analítica distribuida en el dominio del suelo para simular el contacto entre un cilindro y un suelo parcialmente saturado con una carga incremental. El esfuerzo aplicado por el cilindro sobre el suelo es asumido como una distribución de Hertz. Este esfuerzo es distribuido en el suelo usando las ecuaciones analíticas de Boussinesq con el factor de concentración de Frhlich. A partir de los esfuerzos obtenidos, se asume una condición de esfuerzos planos. Las deformaciones en el suelo son calculadas usando el modelo básico de Barcelona para hallar el asentamiento del suelo. Los resultados obtenidos del modelo presentado son validados con experimentos en centrífuga a una aceleración de 10g. En estos experimentos, un modelo a escala 1:10 del cilindro de un compactador es usado sobre un caolín previamente preparado a una humedad establecida. El esfuerzo de pre-consolidación es usado como única variable en los experimentos realizados. Los resultados del modelo muestran una correlación con los resultados obtenidos en los experimentos de centrífuga. A valores bajos del esfuerzo de pre-consolidación, se observan grandes asentamientos del cilindro. En cambio, a elevados valores, el asentamiento es limitado a pocos milímetros. Los resultados obtenidos, permiten estimar con precisión el proceso de compactación de un cilindro sobre un suelo parcialmente saturado sin el consumo de tiempo y recursos que requieren los modelos de elementos finitos. Por lo anterior, es propuesta la implementación de cargas cíclicas en futuros desarrollos del modeloPartially saturated soils are often found in road constructions, being controlled by the compactors payload, the freatic level, and the environmental conditions, among many others. Current compaction models consider only the soil elastic range, ignoring plastic deformations and suction within the soil. An alternative to simulate this coupled behaviour can be achieved by the finite element method. However, the computation process might come time-consuming for practical purposes in a construction. For this reason, this work presents an analytical solution for simulating the interaction between a rigid cylinder and a partially saturated soil under static incremental loading. The model input parameters are the initial contact area, the cylinder weight, and soil parameters. The interaction between the cylinder and soil is computed as a Hertz stress distribution. The stress is transferred within the soil by the Boussinesq analytical equations, using the Frhlich concentration factor. The Barcelona Basic Model is employed in the computation of the volumetric and deviatoric stains that result in the soil settlement. The results are validated with centrifuge tests of an equivalent system under 10g. In these experiments, a 1:10 scale drum-roller cylinder lays over a partially saturated kaolin layer, resulting in a self-weight compaction process. Overall, the proposed model presents an outstanding agreement with the experimental observations, both on settlements and internal deformations as a function of the pre-consolidation stress. At larger pre-consolidation stress values, the settlements collapse towards a minimum level, limiting the compaction on the soil layer to a few millimeters. Interestingly, the compaction process results in minimal changes in the soil void ratio while decreasing the global suction. This last observation points to the relevance of considering the partially saturated behaviour of soils in the compaction processMagíster en Ingeniería CivilMaestría41 hojasapplication/pdfspaUniversidad de los AndesMaestría en Ingeniería CivilFacultad de IngenieríaDepartamento de Ingeniería Civil y Ambientalinstname:Universidad de los Andesreponame:Repositorio Institucional SénecaTeoría de Hertz para deformaciones elastoplásticas en suelos parcialmente saturadosTrabajo de grado - Maestríainfo:eu-repo/semantics/masterThesishttp://purl.org/coar/version/c_970fb48d4fbd8a85Texthttp://purl.org/redcol/resource_type/TMSuelosMecánica de suelosAnálisis de suelosIngenieríaPublicationhttps://scholar.google.es/citations?user=XvhZCvwAAAAJvirtual::13281-10000-0002-9236-8130virtual::13281-1f2957fb4-17e4-47e9-86c8-74d835ff1b4evirtual::13281-1f2957fb4-17e4-47e9-86c8-74d835ff1b4evirtual::13281-1TEXTu833500.pdf.txtu833500.pdf.txtExtracted texttext/plain67966https://repositorio.uniandes.edu.co/bitstreams/344e9a11-3039-47d3-adc9-fd97bde68dcf/download682e3ea4f9f22e2e3ebad4d706bec345MD54ORIGINALu833500.pdfapplication/pdf20221372https://repositorio.uniandes.edu.co/bitstreams/14f2d7cb-8b9a-4fa2-922a-1858a8ee8cc6/downloadf15db5891237854d792399095c2995a7MD51THUMBNAILu833500.pdf.jpgu833500.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg16357https://repositorio.uniandes.edu.co/bitstreams/3e9c12a2-1352-4b42-be34-a4845191d5ec/downloadcf8406d3950f535c18a090ab80d2cad3MD551992/48427oai:repositorio.uniandes.edu.co:1992/484272024-03-13 14:53:55.154https://repositorio.uniandes.edu.co/static/pdf/aceptacion_uso_es.pdfopen.accesshttps://repositorio.uniandes.edu.coRepositorio institucional Sénecaadminrepositorio@uniandes.edu.co