ESTUDIO DE LA RESPUESTA A CORTE DE UN SUELO GRANULAR FRENTE A CARGAS CÍCLICAS DE LARGA DURACIÓN

Abstract

Las fundaciones profundas offshore se encuentran sometidas bajo los efectos de las mareas y tormentas, fenómenos que se caracterizan por su baja frecuencia y gran cantidad de ciclos de carga. Debido a los costos e ingeniería asociado a este tipo de proyectos, asegurar resistencia es clave. Existe evidencia de que el efecto acumulado de los ciclos puede producir asentamientos o degradación en la capacidad de soporte de la fundación, lo cual depende de la dirección de las cargas aplicada (Poulos, 1989) como también la combinación de éstas (Andersen, 2009). Es importante tener un completo marco de trabajo que permita determinar el comportamiento de cargas monótonas y cíclicas del suelo, identificando parámetros tales como el historial de esfuerzos previos, valores de cargas medias y cíclicas, deformaciones angulares, condiciones de drenaje, etc. Con el fin de investigar este fenómeno, han sido realizados ensayos a gran escala (Jardine et. al, 2012), como ensayos a mediana escala (Tsuha et. al, 2012), a partir de los cuales se han obtenido diagramas de interacción (Poulos, 1989) que permiten entregar límites en función de la reducción de la capacidad de soporte observada. Sin embargo, los altos costos de este tipo de ensayos hacen necesario buscar otra alternativa. Estudios enfocados en el análisis de esfuerzos generados en el suelo adyacente a pilotes, (Boulon y Foray, 1986; Lehane, 1993) han presentado la importancia de la relación existente entre el esfuerzo radial local y el desplazamiento generado en el suelo, ya que controla la capacidad de soporte. Es posible evaluar esta relación mediante ensayos de laboratorio realizados al suelo, sin embargo, para obtener una relación conservadora, se propone que el equipo CDSS, bajo condiciones de volumen constante, es el más adecuado para ello. El presente estudio de la respuesta a corte de un suelo granular frente a cargas cíclicas de larga duración, permite complementar los estudios existentes en esta área abarcando el tópico de suelos granulares. La base de datos existente de este tipo de estudios se enfoca en arcillas, debido a que las investigaciones asociadas a estructuras offshore son realizadas principalmente por países nórdicos. En este estudio se evalúa el efecto de esfuerzos de corte cíclicos simétricos y asimétricos en la respuesta monótona, cíclica y post cíclica del suelo, en términos de deformaciones angulares (media o cíclica), trayectoria de esfuerzos, cambios en el módulo de corte, entre otros. Un total de 34 ensayos en equipo CDSS fueron realizados, en los cuales es utilizada arena de Ottawa, la cual presenta una amplia base técnica disponible (Parra, 2016). Las muestras fueron realizadas bajo condiciones secas y a una densidad relativa de 70% (1.692 [g/cm3 ]), con el fin de simular condiciones de un suelo medio-denso. Los ensayos realizados se dividen en: 6 ensayos monótonos, 16 ensayos cíclicos y 12 ensayos monótonos post ciclos. Con el fin de estudiar la respuesta monótona de la arena, 6 ensayos monótonos controlados por deformaciones son realizados, los cuales son sometidos a diferentes esfuerzos de consolidación (100, 300 y 500 [kPa]) bajo condiciones de presión y volumen constante. Resultados obtenidos señalan que la arena Ottawa presenta un ángulo de fricción de 28° para el caso a presión o esfuerzo vertical constante y 30.4° para el caso a volumen constante. Valores obtenidos se encuentran dentro del rango de valores asociados al material (Bhaumik, 2015; Parra, 2016). En cuanto al análisis de la respuesta cíclica del material, 16 ensayos cíclicos controlados por esfuerzos, bajo condiciones de volumen constante y con esfuerzo de consolidación de 100 [kPa] son realizados. Estos ensayos fueron sometidos a distintas combinaciones de esfuerzo de corte cíclico (12.5-24 [kPa]) y de esfuerzo de corte medio (0-20 [kPa]). Resultados muestran que existe una marcada relación entre el esfuerzo de corte medio aplicado y las deformaciones angulares generadas. A mayor esfuerzo de corte medio aplicado, existe una mayor acumulación de deformaciones angulares permanentes iniciales, sin embargo, con los ciclos, dada la estabilización del esfuerzo vertical, esta acumulación procede a ser de manera lenta. El comportamiento de la deformación angular es presentado en diagramas de contorno (Andersen, 1988), los cuales buscan representar de forma normalizada los distintos escenarios posibles de la falla cíclica del suelo. Para los diagramas de contorno realizados para el presente estudio, se agrupan en función del comportamiento de las deformaciones angulares generadas (media o cíclica) como de la cantidad de ciclos requerida para alcanzar un valor umbral de deformación angular. El diagrama de contorno propuesto para el suelo plantea la existencia de 4 grupos o regiones dependiendo del comportamiento observado. Las regiones definidas, en general, coinciden con las regiones estable, metaestable e inestable definidas en diagramas de estabilidad para pilotes (Jardine et. al., 2012), sin embargo, el presente estudio delimita en mayor profundidad la región metaestable, señalando la existencia de dos subregiones para este caso. En cuanto a los valores de esfuerzo de corte medio y cíclico definidos, permiten complementar la zona de pequeños esfuerzos de un diagrama de contorno para arena de Ottawa de similares características (Blaker y Andersen, 2019). En cuanto a la resistencia a corte, es observado que la existencia de preshearing mejora la resistencia del suelo, evitando que se alcancen estados con esfuerzos verticales nulos y evitando en menor medida la degradación existente debido a los ciclos. Resultados y conclusiones similares son vistas en estudios enfocados en pilotes (Jardine, 1991). La respuesta monótona post ciclos es evaluada con la realización de 12 ensayos monótonos controlados por deformaciones, realizados luego de una etapa cíclica en donde distintos valores de esfuerzos de corte cíclico fueron evaluados (15, 17.5 y 20 [kPa]). Estos ensayos presentaron una consolidación inicial de 100 [kPa]. Fue evaluada la influencia de las condiciones iniciales de los ensayos monótonos post ciclos, es decir, se analizaron cambios respecto a la existencia de reconsolidación tras los ciclos, retorno de deformaciones angulares o esfuerzos de corte residuales a cero debido a la etapa cíclica. Los ensayos monótonos post ciclos fueron comparados con los ensayos monótonos, con el fin de buscar diferencias y semejanzas entre ellos. Resultados indican que la aplicación de una reconsolidación posterior a la etapa cíclica permite una leve recuperación de la respuesta a corte del suelo, debido a la densificación producida. Sin embargo, no es relevante la amplitud de esfuerzo de corte cíclico aplicado durante la etapa cíclica si durante ésta es alcanzada la línea de estado crítico, ya que existe evidencia de comportamientos similares entre ensayos