Estudio del comportamiento de colapso en arenas arcillosas bajo un estado generalizado de tensiones
Authors:   , Cárdenas Díaz Octavio Enrique 
Published: July 2023

This thesis studies the hydro-mechanical behaviour of a compacted clayey sand under generalised stress state. The study, which is mainly experimental, focuses on the analysis of the shear strength at different hydraulic states and on the collapse response during flooding. These behavioural features have important applications in the design of earthworks (dams and embankments), which are structures that undergo significant water content changes along their different construction stages. However, despite this important practical issue, there are few experimental studies that have evaluated these behavioural features, particularly during flooding under generalised stress state, and that includes the control of the deviatoric stress, the mean net stress and the Lode angle during the development of the collapse.
Within the experimental study, a hollow cylinder apparatus was set up with automatic control of the internal and external chamber pressures, as well as of the axial stress. The apparatus was designed for saturated soils, and an important calibration was carried out to determine the global radial and circumferential strains using the information of the volume changes of the internal and external cell chambers.
The material used in the research was a mixture of 30% (by mass) of sand from Castelldefels (Barcelona) and 70% silty clay from Campus Nord (Barcelona). The selection of the most suitable mixture and of the initial compaction conditions –to ensure an adequate shear strength, saturated permeability and to display an important collapse during flooding– was done after an extensive geotechnical characterisation program of the constituent materials and various proportions of the mixtures.
Microestructural and hydraulic characterisation tests (mercury intrusion porosimetry, water retention curve and permeability), as well as mechanical tests at different states and hydraulic paths (shear strength in triaxial and direct shear cells, compressibility and soaking tests under oedometer conditions) were performed on the selected mixture. These preliminary tests allowed calibrating the different parameters of the elasto-plastic BBM model, as well as to define the position of the yield surfaces.
Tests on the hollow cylinder apparatus were performed on saturated and partially saturated samples along isotropic compression and shear paths (increase in deviatoric stress at constant mean stress). These last paths were performed at four different Lode angles. Shear strength results at ultimate conditions allowed defining the variation of the cohesion with suction, as well as the dependence of the slope of the critical state line on the Lode angle (considered independent of suction). Finally, collapse tests (saturation) were carried out at the same mean stress and deviatoric stress state but at different Lode angles and therefore at different distances from the critical state line. The saturation of the sample was carried out by flooding with water from the base of the cell without suction control. The experimental results, which will be useful for future research, showed larger collapse when the intermediate stress coincided with the minor stress, as in the case of an axi-symmetric triaxial compression test.
The time evolutions of the collapse deformations were simulated using a 1D infiltration model with constant permeability and the BBM model (considering the dependence of the slope of the critical state line on Lode angle). The simulations showed a collapse that was not largely affected by the Lode angle, although the evolutions of the directions of the plastic flow vectors changed significantly between the different conditions of the tests, as detected in the different experimental results.
Esta tesis estudia el comportamiento hidro-mecánico bajo un estado generalizado de tensiones de una arena arcillosa compactada. El estudio, de carácter eminentemente experimental, se centra en el análisis de la resistencia al corte a diferentes estados hidráulicos y en el comportamiento de colapso durante inundación. Estos resultados tienen importantes aplicaciones en el diseño de obras de tierra (presas y terraplenes), que son estructuras que están sometidas a cambios de humedad importantes a lo largo de las distintas etapas constructivas. Sin embargo, a pesar de esta importante implicación práctica, son escasos los estudios experimentales que han evaluado dicho comportamiento, particularmente durante la inundación ante un estado generalizado de tensiones, y que incluye el control de la tensión desviadora, la tensión neta media y del ángulo de Lode durante el desarrollo del colapso.
Para desarrollar el estudio experimental se puso a punto un equipo de cilindro hueco con control automático de las presiones de cámara interna y externa, así como de la tensión axial. El equipo estaba adaptado para suelos saturados, por lo que se realizó una importante calibración para determinar las deformaciones radiales y circunferenciales en forma global utilizando la información de los cambios de volumen de las cámaras interna e externa.
El material utilizado en la investigación es una mezcla de 30% (en masa) de arena de Castelldefels (Barcelona) y 70% de arcilla limosa del Campus Nord (Barcelona). La selección de la mezcla más adecuada y de las condiciones iniciales de preparación –para garantizar una adecuada resistencia al corte, permeabilidad saturada y presentar un importante colapso durante la inundación– se realizó después de una extensa campaña de caracterización geotécnica de los materiales constituyentes y de varias proporciones de mezclas.
Sobre la mezcla seleccionada se realizó la caracterización microestructural e hidráulica (porosimetría por intrusión de mercurio, curva de retención y permeabilidad), así como mecánica a diferentes estados y trayectorias hidráulicas (ensayos de resistencia al corte en equipo triaxial y corte directo, ensayos de compresibilidad y de colapso en edómetro). Estos ensayos preliminares permitieron calibrar los diferentes parámetros del modelo elasto-plástico BBM, así como definir la posición de las superficies de fluencia.
En el cilindro hueco se realizaron ensayos sobre muestras saturadas y no saturadas a lo largo de trayectorias de compresión isótropa y de corte (aumento de la tensión desviadora a tensión media constante). Estas últimas trayectorias se realizaron a cuatro ángulos de Lode diferentes. Los resultados de resistencia al corte en condiciones últimas permitieron definir la variación de la cohesión con la succión, así como la dependencia de la pendiente de estado crítico con el ángulo de Lode (independiente de la succión). Por último, se realizaron ensayos de colapso (saturación) a un mismo estado tensional de tensión media y desviadora pero a diferentes valores de ángulo de Lode y por ende a diferentes distancias de la línea de estado crítico. La saturación de la muestra se llevó a cabo mediante inundación con agua desde la base sin control de succión. Los resultados experimentales, que servirán de base para investigaciones futuras, evidenciaron mayores colapsos cuando la tensión intermedia coincidía con la tensión menor, como en el caso de un ensayo axi-simétrico de compresión triaxial.
Las evoluciones temporales de las deformaciones de colapso se simularon utilizando un modelo de infiltración 1D con permeabilidad constante y el modelo BBM (considerando a dependencia del ángulo de Lode en la pendiente del estado crítico). Las simulaciones evidenciaron un colapso que no se veía afectado por el ángulo de Lode, aunque las evoluciones de las direcciones de los vectores de flujo plásticos cambiaban significativamente entre los diferentes ensayos, tal como se detectaba en los experimentos.