Comportamiento hidro-mecánico de agregados gruesos
Authors:   , Alvarado de Menéndez Clara Elena 
Published: July 2023

Rockfill is a coarse material widely used in geotechnical works such as earth-fill dams (shoulders and toe drains), as well as in embankments and well-graded quarry materials for railway infrastructures. These structures are usually submitted to significant changes in water content and to the permanent action of water during the different stages of construction and along the long-term behaviour after construction. Despite being coarse materials they are very sensitive to the action of water, undergoing collapse deformations on wetting, as well as time-dependent deformations associated with particle breakage (sub-critical crack propagation) and their subsequent rearrangement.
This experimental study evaluates some important aspects of these coarse aggregates (slate gravels from Lechago dam, Teruel) in relation to their interaction with water. Particularly, it addresses the long-term volumetric deformations of the material with emphasis placed on particle size, the effect of stress history, and on the current state of stresses and suctions (overconsolidation ratio), as well as on the effect of void ratio (cumulative volumetric deformation). Different phenomenological constitutive expressions have been proposed, which take into account all the aspects mentioned above and allow properly reproducing the long-term experimental results.
As an alternative to the control of total suction through the relative humidity of vapour, this research has explored the effect of controlling the activity of the liquid (water molecules available to induce environmental action on crack propagation) on the hydraulic and mechanical response of the coarse slate aggregates. Experimental protocols have been developed that have allowed the gravel skeleton to be flooded with different saline solutions, as well as performing particle splitting tests (indirect tensile tests). These tests have allowed comparing the kinetics and steady-state conditions of the response at both particle and material scales, when controlling the relative humidity by vapour or alternatively the activity by liquid. This part of the research has focused on the compressibility of the material under oedometer conditions on loading at different suctions, as well as on the volume change behaviour induced by suction changes at constant vertical stress. The results have shown larger compressibility values and lower tensile strengths of the particles when the total suction has been controlled by the activity of the liquid. To help in the interpretation of the results, a phenomenological constitutive expression has been proposed. This expression corrects the total suction associated with the activity of the liquid by a reduction coefficient that depends on the liquid activity (equivalent to an osmotic efficiency).
The kinetics of the processes (vapour diffusion for relative humidity control and diffusion of solutes for the liquid activity) has been simulated on a cylindrical particle with the program CODE_BRIGHT. These simulations have included a specific law for tensile strength as a function of total suction, as well as mass transport parameters that have been measured in the laboratory.
In addition, a new triaxial cell has been developed to study the shear strength properties and the dilatancy induced on shearing by the coarse aggregates at different total suctions. This equipment allows testing samples up to 200 x 400 mm with total suction control and with a novel system of local radial measurements placed on two orthogonal planes of the sample and at different heights. The equipment has been calibrated and some preliminary results have been presented, which can be used as database for future research on this topic.
Las escolleras son materiales gruesos ampliamente utilizados en obras geotécnicas como por ejemplo en presas de materiales sueltos (espaldones, bloques de cuñas, repiés), así como en pedraplenes y todo-uno de obras ferroviarias. Estas estructuras están sometidas a cambios de humedad importantes y a la acción permanente del agua durante las distintas etapas constructivas y en el comportamiento a largo plazo post-construcción. A pesar de ser materiales gruesos son muy sensibles a la acción del agua, presentando deformaciones volumétricas de colapso por humedecimiento, así como deformaciones diferidas en el tiempo, que están asociadas con la rotura de partículas (propagación sub-crítica de fisuras) y su reacomodo posterior. Este estudio, de carácter eminentemente experimental, evalúa algunos aspectos importantes de estos agregados gruesos (gravas de pizarra de los espaldones de la presa de Lechago, Teruel) y su interacción con el agua. Particularmente se enfoca en las deformaciones volumétricas a largo plazo de estos materiales con énfasis en el tamaño de las partículas, el efecto de la historia y el valor actual de tensiones y succiones (relación de sobreconsolidación), del mismo modo que en el efecto del índice de poros (deformación volumétrica acumulada). Se han propuesto expresiones constitutivas fenomenológicas que toman en cuenta todos los aspectos anteriormente señalados y que permiten reproducir adecuadamente los resultados experimentales a largo plazo. Como alternativa al control de la succión total a través de la humedad relativa del vapor, esta investigación ha explorado el efecto de controlar la actividad del líquido (moléculas de agua disponibles para inducir la acción ambiental sobre la propagación de fisuras) en la respuesta hidráulica y mecánica de las gravas de pizarra. Se han desarrollado protocolos experimentales que han permitido inundar al esqueleto de gravas con diferentes soluciones salinas, además de realizar ensayos de rotura de partículas (ensayos de tracción indirecta). Estos ensayos han permitido comparar la cinética y las condiciones estacionarias de la respuesta del material y de la partícula cuando se controla la humedad relativa del vapor o alternativamente la actividad del líquido. Esta parte de la investigación se ha enfocado en la compresibilidad en edómetro de las gravas de pizarra ante carga a diferentes succiones, así como en los cambios de volumen a tensión vertical constante cuando se cambia la succión. Los resultados han mostrado una mayor compresibilidad y una menor resistencia a la tracción de las partículas cuando se controlaba la succión total mediante la actividad del líquido. Con el fin de interpretar los resultados, se ha propuesto una expresión constitutiva fenomenológica que corrige la succión total asociada con la actividad del líquido mediante un coeficiente reductor que depende de dicha actividad (equivalente a una eficiencia osmótica). La cinética de los procesos (difusión de vapor para humedad relativa y difusión de la concentración de soluto para la actividad) se ha simulado sobre una partícula cilíndrica con el programa acoplado CODE_BRIGHT, que ha incorporado una ley específica de resistencia a la tracción que varía con la succión total, así como parámetros de transporte de masa medidos en laboratorio. Adicionalmente, con el objeto de profundizar en el estudio de la resistencia al corte y la dilatancia inducida por los agregados granulares a diferentes succiones totales, se ha desarrollado una nueva célula triaxial. Este equipo permite ensayar muestras de hasta 200 x 400 mm con control de succión total y con un sistema novedoso de medidas radiales locales en dos planos ortogonales de la muestra a diferentes alturas. El equipo se ha calibrado y se presentan algunos ensayos preliminares, que servirán como base para investigaciones futuras sobre este tema