Estudio del comportamiento del suelo en el rango de las pequeñas deformaciones y desarrollo del modelo constitutivo EPHYSS
Authors:   , Castellón López Javier 
Published: July 2023

Soil behavior in the range of small strains should be considered in the analysis of geotechnical problems when sensitive elements are affected, which is very common in urban environments. However, some of the tests that allow to determinate soil parameters in the range of small strains are still not sufficiently extended in geotechnical engineering professional practice, hindering its estimation and use in constitutive models. Nowadays, the constitutive model Hardening Soil with Small Strain Stiffness (HS-SS) of Plaxis is practically the only one with an extended use in the professional practice that considers such behavior, while the rest of this type of models are generally limited to an academic use. Despite its great advantages, some aspects of the HS-SS model that could be improved have been detected, as well as some inconsistencies whose effects can have a considerable influence on the numerical simulations of boundary problems, as these are cumulative.
This thesis analyzes and classifies 48 soil constitutive models that consider soil behavior in the range of small strains, characterized by being nonlinear, hysteretic and dependent on recent history. For this, different classification criteria have been used, some of them pre-existing and others established in this work.
A new elastoplastic soil constitutive model denominated Elastoplastic Hysteretic Small Strain (EPHYSS) has been developed, which is composed by the Hysteretic Quasi-Hypoelastic (HQH) model and the Hardening Soil Modified (HSmod) model. The EPHYSS model describes, on the one hand, the nonlinear reversible, hysteretic and dependent on recent history soil behavior by using the HQH model, which considers the strain-induced anisotropy, and, on the other hand, the soil plastic behavior by using the Cap-Cone HSmod model. The EPHYSS model state variables define different short and long-term memory levels that provide it with robustness for the reproduction of soil hysteretic behavior. Among them, the deviatoric strain history tensor and the maximum value of the shear stiffness corresponding to the active degradation curve allow to reproduce infinite degradation curves according to the level of strain reversal, which confers great versatility to the model and adaptability to experimental results. The EPHYSS model code, entirely provided in this thesis, has been written in FORTRAN and implemented in Plaxis through the User Defined Soil Model (UDSM) modulus.
A verification of the EPHYSS model has been made, as well as a validation using different experimental tests, numerical tests and boundary value problems of works in which some type of monitoring has been performed. Among these works, there is a large urban excavation in Barcelona, for whose analysis resonant column tests and various in situ measurements have been conducted. It is concluded that the EPHYSS model significantly improves the approximation to the experimental data with respect to the HS-SS model in the simulations of the different tests and boundary value problems, especially in those that present reversals in deviatoric loadings; resolves the inconsistencies of the latter; has a reasonable computational cost; provides flexibility in the use of different plastic formulations; and requires simple parameters, most of them common to those of the HS-SS model, which distinguishes it from other complex constitutive models that are usually limited to an academic use. All this makes the EPHYSS model a model that can be used for analysis and design in geotechnical engineering practice.

El comportamiento del suelo en el rango de las pequeñas deformaciones debe ser considerado en el análisis de problemas geotécnicos en los que se afecten elementos sensibles, lo cual es muy habitual en entornos urbanos. Sin embargo, varios de los ensayos que permiten determinar los parámetros del suelo en el rango de las pequeñas deformaciones siguen sin estar suficientemente extendidos en la práctica profesional de la ingeniería geotécnica, dificultando su estimación y su uso en modelos constitutivos. Hoy en día, el modelo constitutivo Hardening Soil with Small Strain Stiffness (HS-SS) de Plaxis es prácticamente el único con un uso extendido en la práctica profesional que tiene en cuenta dicho comportamiento, mientras que el resto de modelos de este tipo suelen limitarse a un uso académico. A pesar de sus grandes ventajas, se han detectado aspectos del modelo HS-SS que pueden ser mejorados, así como algunas inconsistencias cuyos efectos pueden tener una influencia significativa en las simulaciones numéricas de problemas de contorno, por ser estos acumulativos. En esta tesis se han analizado y clasificado 48 modelos constitutivos del suelo que tienen en cuenta el comportamiento del mismo en el rango de las pequeñas deformaciones, caracterizado por ser no lineal, histerético y dependiente de la historia reciente. Para ello se han utilizado diferentes criterios de clasificación, algunos de ellos existentes y otros establecidos en este trabajo. Se ha desarrollado un nuevo modelo constitutivo elastoplástico del suelo denominado Elastoplastic Hysteretic Small Strain (EPHYSS), formado por los modelos Hysteretic Quasi-Hypoelastic (HQH) y Hardening Soil Modified (HSmod). El modelo EPHYSS describe, por un lado, el comportamiento reversible no lineal, histerético y dependiente de la historia reciente del suelo a través del modelo HQH, que tiene en cuenta la anisotropía inducida en deformaciones, y, por otro lado, el comportamiento plástico del suelo a través del modelo HSmod. Las variables de estado del modelo EPHYSS definen diferentes niveles de memoria a corto y largo plazo que lo dotan de robustez para la reproducción del comportamiento histerético del suelo. Entre ellas, el tensor de historia de deformaciones desviadoras y el valor máximo de la rigidez al corte para la curva de degradación activa, permiten reproducir infinitas curvas de degradación en función del nivel de reversión de las deformaciones, lo cual confiere gran versatilidad al modelo y adaptabilidad a los resultados experimentales. El código del modelo EPHYSS, proporcionado en su totalidad en esta tesis, se ha escrito en FORTRAN e implementado en Plaxis mediante el módulo User Defined Soil Model (UDSM). Se ha realizado una verificación del modelo EPHYSS, así como una validación del mismo con diferentes ensayos experimentales, ensayos numéricos y problemas de contorno de obras en las que se ha realizado algún tipo de auscultación. Entre dichas obras se encuentra una gran excavación urbana en Barcelona para cuyo análisis se han realizado ensayos de columna resonante y diversas mediciones in situ. Se concluye que el modelo EPHYSS mejora significativamente la aproximación a las medidas experimentales respecto el modelo HS-SS en las simulaciones de los diferentes ensayos y problemas de contorno, especialmente en aquellos que presentan reversiones en las cargas desviadoras; resuelve las inconsistencias de este último; tiene un coste computacional razonable; proporciona flexibilidad en el uso de diferentes formulaciones plásticas; y requiere parámetros simples, la mayoría de ellos comunes a los del modelo HS-SS, lo cual lo distingue de otros modelos constitutivos complejos limitados habitualmente a un uso académico. Todo ello convierte al modelo EPHYSS en un modelo que puede ser utilizado para el análisis y el diseño en la práctica profesional de la ingeniería geotécnica.

El comportament del sòl en el rang de les petites deformacions ha de ser considerat a l’anàlisi de problemes geotècnics en els que s’afectin elements sensibles, cosa que és molt habitual en entorns urbans. No obstant, diversos assaigs que permeten determinar els paràmetres del sòl en el rang de les petites deformacions segueixen sense estar suficientment estesos a la pràctica professional de l’enginyeria geotècnica, dificultant la seva estimació i el seu ús en models constitutius. Avui dia, el model constitutiu Hardening Soil with Small Strain Stiffness (HS-SS) de Plaxis, basat en el model Hardening Soil Small (HS-S), és pràcticament l’únic amb un ús estès a la pràctica professional que té en compte aquest comportament, mentre que la resta de models d’aquest tipus normalment es limiten, donades les seves característiques, a un ús acadèmic. Tot i els seus grans avantatges, s’han detectat aspectes del model HS-SS que poden ser millorats, així com algunes inconsistències els efectes de les quals poden tenir una influència significativa a les simulacions numèriques de problemes de contorn, per ser acumulatives.
En aquesta tesi s’han analitzat i classificat 48 models constitutius del sòl que tenen en compte el seu comportament en el rang de les petites deformacions, caracteritzat per ser no lineal, histerètic i dependent de la història recent. Amb aquesta finalitat s’han utilitzat diferents criteris de classificació, alguns d’ells existents i altres establerts en el present treball.
S’ha desenvolupat un nou model constitutiu elastoplàstic del sòl anomenat Elastoplastic Hysteretic Small Strain (EPHYSS), format pels models Hysteretic Quasi-Hypoelastic (HQH) i Hardening Soil Modified (HSMOD). El model EPHYSS descriu, per un costat, el comportament reversible no lineal, histerètic i dependent de la història recent del sòl mitjançant el model HQH, que té en compte l’anisotropia induïda en deformacions, i, per un altre costat, el comportament plàstic del sòl mitjançant el model HSMOD de tipus Cap-Cone. Les variables d’estat del model EPHYSS defineixen diferents nivells de memòria a curt i llarg termini que el doten de robustesa per la reproducció del comportament histerètic del sòl. Entre elles, el tensor d’història de deformacions desviadores i el valor màxim de la rigidesa al tall corresponent a la corba de degradació activa permeten reproduir infinites corbes de degradació en funció del nivell de reversió de les deformacions, fet que confereix gran versatilitat al model i adaptabilitat als resultats experimentals. El codi del model EPHYSS, que es proporciona de forma íntegra en aquesta tesi, s’ha escrit en FORTRAN i s’ha implementat en Plaxis mitjançant el mòdul User Defined Soil Model (UDSM).
S’ha realitzat una verificació del model EPHYSS, així com una validació del mateix amb diferents assaigs experimentals, assaigs numèrics i problemes de contorn d’obres en les que s’ha realitzat algun tipus d’auscultació. Entre aquestes obres es troba una gran excavació urbana a Barcelona, per l’anàlisi de la qual s’han instal·lat extensòmetres, s’han realitzat mesures topogràfiques de la superfície segons l’avanç de l’excavació i s’ha complementat la campanya geotècnica del projecte amb assaigs de columna ressonant. Es conclou que el model EPHYSS millora significativament l’aproximació a les mesures experimentals respecte del model HS-SS en les simulacions dels diferents assaigs i problemes de contorn, especialment en aquells que presenten reversions a les càrregues desviadores; resol les inconsistències d’aquest últim; té un cost computacional raonable; proporciona flexibilitat en l’ús de diferents formulacions plàstiques; i requereix paràmetres simples, la majoria d’ells comuns als del model HS-SS, cosa que el distingeix d’altres models constitutius complexos limitats habitualment a un ús acadèmic. Tot això converteix el model EPHYSS en un model que pot ser utilitzat per l’anàlisi i el disseny a la pràctica professional de l’enginyeria geotècnica.