%0 Journal Article 
%A García Ros, Gonzalo
%T Dimensionless characterization and numerical simulation of linear and non-linear soil consollidation processes

%D 2016
%U http://hdl.handle.net/10317/5937
%X [ESP] El principal objetivo de esta tesis es la búsqueda y verificación de los parámetros adimensionales que rigen los procesos geotécnicos de consolidación de suelos, abarcando estas investigaciones los siguientes escenarios y casos: i) suelos anisótropos y heterogéneos (multicapa), 2‐D y 3‐D en diferentes geometrías y con propiedades de comportamiento lineal,
ii) consolidación lineal con drenes verticales parcial o totalmente penetrantes y, iii) consolidación no lineal 1‐D. Se trata de buscar los argumentos o grupos adimensionales contenidos en las dependencias funcionales de las principales incógnitas de interés (expresadas asimismo en su forma adimensional si no están ya así definidas). Estas incógnitas esencialmente son: tiempo característico, grado medio de consolidación y grado medio de disipación de presiones intersticiales, y el método para obtenerlas la adimensionalización discriminada de las ecuaciones de gobierno. Las soluciones se muestran en su forma gráfica
más universal. En general, para verificar las nuevas dependencias propuestas se ejecuta un número suficiente de simulaciones numéricas fiables mediante el método de redes, haciendo uso de modelos específicamente diseñados y presentados en esta memoria. El Capítulo I detalla los objetivos propuestos. Los fundamentos teóricos del trabajo se establecen en el Capítulo II. Se recopila, en primer lugar, la literatura (artículos y libros) publicada sobre el tema de consolidación. Ésta se extiende a la consolidación lineal en geometrías rectangulares y cilíndricas, con o sin la inclusión de drenes verticales prefabricados, estableciéndose las ecuaciones de gobierno, condiciones de contorno y sus soluciones semi‐analíticas. Además, se incluye el uso de ábacos para representar el grado medio de consolidación y el exceso de presión intersticial del fluido. Más tarde, se describen los tres principales modelos de consolidación no lineal: Davis y Raymond, Juárez‐Badillo, y Cornetti y Battaglio. Las diferencias entre ellos se deben principalmente a las dependencias matemáticas de las relaciones constitutivas entre la relación de vacíos y la permeabilidad hidráulica con la tensión efectiva (relaciones específicas para cada modelo), además de otras hipótesis. Se recogen las soluciones analíticas y numéricas existentes de estos casos no lineales así como los grupos adimensionales que las rigen y otros detalles, según los diferentes autores que las abordan. En particular, se revisa el procedimiento usado en cada modelo en relación con la forma en que se aborda el proceso de adimensionalización de las ecuaciones de gobierno. Finalmente, se describe las bases del método de redes, en cuanto que es la herramienta numérica usada para las simulaciones; algunos aspectos destacados de los códigos libres MATLAB (lenguaje de programación para la creación de los archivos de texto de los modelos y para el procesado gráfico de sus soluciones numéricas) y Ngspice (el código usado para la computación) se recogen al final del capítulo. El Capítulo III se ha dividido en tres bloques. En el primero se recoge el protocolo general para la adimensionalización discriminada de ecuaciones de gobierno. La aplicación de esta herramienta es formal desde el punto de vista matemático pero difiere cualitativamente del método clásico (no discriminado), principalmente por la elección de las referencias que definen las variables adimensionales dependientes e independientes, las cuales además deben estar normalizadas. Se comenta también la conexión entre el análisis dimensional y la técnica de adimensionalización propuesta. Por otro lado, la revisión histórica de diferentes autores sobre la introducción del tiempo de referencia en procesos lineales (que define el llamado factor tiempo) introducida en este capítulo, introducción que difiere esencialmente de unos autores a otros, nos ha permitido considerar este tiempo como una incógnita y establecer su forma adimensional como una función de los grupos adimensionales derivados del proceso de adimensionalización por aplicación del teorema de pi. La dependencia funcional de otras incógnitas tales como el grado medio de consolidación o de disipación de presiones (ya definidas en forma adimensional) con estos mismos grupos se establece asimismo por el teorema de pi. En el Segundo bloque de este capítulo se aplica la adimensionalización discriminada a suelos heterogéneos (multicapa) y anisótropos en geometrías 2‐D rectangulares, y 1‐D y 2‐D cilíndricas, así como a geometrías rectangulares 3‐D con escenarios que contienen drenes verticales parcial o totalmente introducidos en el terreno. La discriminación produce un nuevo grupo adimensional que resulta de la conjunción de dos grupos clásicos (no discriminados): el cociente entre permeabilidades hidráulicas y el cociente entre las longitudes (anchura/altura) del dominio, lo que supone una importante ventaja merced a la reducción del número de grupos de los que dependen las incógnitas buscadas. Para los escenarios anteriores se dibujan curvas universales que proporcionan información directa del tiempo característico y del grado medio de consolidación (una única curva en muchos escenarios) a partir de los parámetros individuales del problema que determinan el escenario real. De estas curvas la deducción del asiento de consolidación es casi inmediata. La consolidación no lineal, organizada siguiendo la presentación histórica de sus modelos (Davis y Raymond, Juárez‐Badillo, y Cornetti y Battaglio) se investiga en el último bloque. Estos modelos clásicos se extienden a otros más generales por la supresión de alguna de las hipótesis asumidas por los autores. Se recoge también un nuevo y completo modelo no lineal, sin hipótesis, cuyas relaciones constitutivas se establecen mediante dependencias tabuladas de los valores de sus parámetros. La caracterización adimensional del modelo de Davis y Raymond se lleva a cabo tanto en términos de presiones como en términos de asientos, asumiendo las hipótesis de estos autores pero introduciendo el tiempo característico como una referencia incógnita para definir el tiempo adimensional en la ecuación de gobierno. El grado medio de consolidación es función de la relación de presiones efectivas final/inicial mientras que el grado medio de disipación de presiones intersticiales, no estudiado por los autores, depende de la relación de presiones efectivas final/inicial y del cociente Ic/(1+eo). Para este modelo, bajo las hipótesis ‘1+e’ y dz no constantes, se define también un tiempo característico y se establece su dependencia con los grupos adimensionales. Todas las dependencias investigadas se verifican mediante simulaciones numéricas fiables. Se presentan también curvas universales del tiempo característico y grado medio de consolidación para el modelo más general derivado del de estos autores. Se revisa el modelo de Juárez‐Badillo, basado en sus propias ecuaciones constitutivas y otras hipótesis del autor, así como extensiones generales del mismo modelo (como resultado de suprimir alguna de sus hipótesis). Los grupos adimensionales que presentan los autores coinciden con los derivados mediante el proceso de adimensionalización pero aplicado al modelo más general. Mediante el establecimiento de estos grupos se verifican los resultados obtenidos para el tiempo característico y los grados medios de consolidación y disipación de presiones. Estas verificaciones demuestran que los resultados difieren apreciablemente de un modelo a otro, conservando siempre en el lado de la seguridad las soluciones del problema original de estos autores. Las soluciones universales en función del tiempo adimensional (referido al característico del problema) convergen a una misma curva para cualquier valor numérico de los grupos adimensionales deducidos. Finalmente se revisa el modelo de Cornetti y Battaglio, para el que estos autores no proporcionan información alguna ni del tiempo característico ni del grado de consolidación, y otros modelos más refinados deducidos del primero, De nuevo, la adimensionalización discriminada proporciona dependencias precisas entre las variables de interés y los grupos adimensionales deducidos. Al igual que para los otros modelos, estas dependencias son verificada mediante simulaciones numéricas aportando diferencias significativas entre uno y otro modelo con errores relativos del orden del 300%. Para valores particulares de los grupos adimensionales emergentes se presenta curvas universales en función del tiempo adimensional. Se aprecia la escasa influencia de los grupos citados en estas curvas universales. El Capítulo IV recopila los modelos diseñados para todos los escenarios estudiados en esta memoria, incluyendo las extensiones de los casos no lineales. Se incluye, asimismo, el modelo más preciso de todos, el que aborda relaciones constitutivas en forma tabulada. Todos los modelos, escritos en la forma de archivo de texto especialmente organizado para su mejor acceso y potencial modificación, contienen dispositivos o rutinas matemáticas de programación, para proporcionar como información de salida todas las variables de interés: tiempo característico, grado local y medio de asentamiento y grado local y medio de disipación de presiones. Sobre la base de los modelos diseñados para mechas verticales penetrantes en geometrías rectangulares 3‐D, se ha desarrollado en entorno Windows un programa de simulación de uso libre, potente y fiable (SICOMED_16, © UPCT). Se ha hecho uso de los códigos MATLAB, para la programación de los archivos de texto de los modelos y el interface de comunicación con el usuario, y Ngspice para la computación numérica. En el Capítulo V se presenta un conjunto ilustrativo de aplicaciones. Cuatro de ellas son lineales y proponen (las tres últimas) casos en los que las soluciones de tipo universal son difíciles de representar merced al gran número de parámetros (tanto dimensionales como adimensionales) involucrados: i) modelo para verificación de soluciones numéricas, ii) consolidación con cargas sucesivas, iii) procesos de carga‐descarga, y iv) un escenario con mechas parcialmente penetrantes en un suelo anisótropo, este último resuelto mediante SICOMED_16. En cuanto a los casos no lineales, la aplicación elegida ilustra las apreciables diferencias entre los modelos investigados.

%K Ingeniería civil
%K Técnicas de drenaje
%K Cimientos
%K Mecánica del suelo en la construcción
%K 2511.11 Génesis y Morfología de Suelos
%~ GOEDOC, SUB GOETTINGEN