Modelos de comportamiento de suelo

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Los modelos de comportamiento de suelo cada día son estudiados con mayor profundidad mediante programas informáticos que tras insertar las variables del modelo y el tipo del comportamiento del terreno, ofrecen los resultados pertinentes. Este proceso produce que existan muchas dudas sobre cómo modelar cada uno de los terrenos, sobre todo el suelo y cómo a veces incluso la roca se modela como suelo para poder utilizar este software. El objetivo de este artículo es comentar los modelos más comunes para poder conocer la aplicación de cada uno en los diferentes casos y las variables que lo gobiernan.

Modelos constitutivos

Actualmente, en el comportamiento de los terrenos, cuando se realizan diseños o comprobaciones de los estados iniciales y finales, se realizan simulaciones de elementos finitos con el fin de conocer el comportamiento esfuerzo-deformación del material y para ello se aplican las leyes, ecuaciones o modelos constitutivos. Los materiales geológicos están influenciados por factores adicionales tales como las condiciones específicas que representan las características propias de cada tipo de suelo, cambio de volumen, trayectoria de esfuerzos, estado saturado o no saturado, deformaciones discontinuas que llevan a microfracturas, ablandamiento y endurecimiento, fractura y falla e inestabilidades microestructurales como la liquefacción.

Estos elementos interpretados de un modo más o menos complejo permiten mostrar la complejidad del comportamiento esfuerzo deformación del suelo. Los modelos constitutivos caracterizan la respuesta mecánica del suelo ante fuerzas externas que pueden ser producidas por modificaciones en las condiciones de contorno, por la aplicación de nuevos elementos del terreno o por la perforación parcial en el mismo, dando como resultado las relaciones esfuerzo-deformación. Los suelos, por tanto, muestran en su mayoría comportamientos no lineales, respuesta anisotrópica y habitualmente de carácter reológico bajo diferentes condiciones de carga. A la hora de estudiar el comportamiento del suelo deben tomarse diferentes aspectos en consideración:

Influencia del agua en el suelo por estrés y poros efectivos, presiones.
Factores que influyen en la rigidez del suelo, como la trayectoria de las presiones, las presiones iniciales, la densidad del suelo, los niveles de deformación.
Factores que influyen en la resistencia del suelo, como la edad y la densidad del suelo, ratio de consolidación, comportamiento no drenado, velocidad de carga.
Compactación, dilatación, etc.

Métodos numéricos

Con el avance en métodos numéricos como desarrollo del método de elementos finitos, ha sido posible analizar y predecir el comportamiento complejo de suelo. Además de los problemas de interacción suelo-estructura. Tal análisis depende de la relación entre tensión y deformación de varios materiales. En métodos numéricos, esta relación de tensión y deformación del material dado está representado por un modelo constitutivo que modela el comportamiento del suelo. El objetivo de estos modelos constitutivos es simular el comportamiento del suelo con suficiente precisión en todas las condiciones de carga.

Los modelos constitutivos se han desarrollado desde los más simples a los más elaborados. Esto con el fin de capturar el comportamiento del suelo bajo combinaciones completas de condiciones de carga. Estos modelos han sido formulados con base en los principios de la mecánica del medio continuo y también a la evaluación numérica de los modelos. Son expresiones matemáticas que expresan la relación esfuerzo-deformación de un material.

Es muy difícil considerar la totalidad de los elementos que tienen influencia en la respuesta mecánica del suelo, considerando unas condiciones de carga determinadas, por lo tanto, se hace imprescindible el uso de simplificaciones, tanto del material como de las condiciones de carga, con el fin de obtener una simplificación matemática adecuada. Estas idealizaciones incorporan las principales propiedades del material, excluyéndose los aspectos considerados de menor importancia.

Lo fundamental a la hora de abordar un problema geotécnico de carácter complejo y con los consiguientes distintos estados será una elección correcta del modelo de actuación en virtud de la tipología del terreno, de la prognosis de los desplazamientos que se obtendrán y de la tipología del estudio. Al hilo de esta necesidad de elección, los distintos modelos que pueden encontrarse son por un lado, los modelos empíricos y por el otro los analíticos.

Modelo de Hooke

Es un modelo elástico lineal que se basa en la ley de Hooke de elasticidad lineal. Este modelo consta de dos parámetros básicos, a saber, módulo de elasticidad (E) y el módulo de Poisson μ. Dado que el comportamiento del suelo es altamente no lineal e irreversible, este modelo es insuficiente para capturar las características esenciales del suelo. Sin embargo, este modelo se puede utilizar para modelar los volúmenes rígidos en el suelo como los muros de hormigón.

Modelo Mohr-Coulomb

Es un modelo elástico lineal perfectamente plástico y representa una aproximación de primer orden del comportamiento del suelo. Por un lado, está claro que el material se comporta linealmente en el rango elástico, definido por dos parámetros como el módulo de Young (E) y el coeficiente de Poisson μ. Para definir el criterio de rotura del terreno pasan a ser los parámetros constitutivos del terreno; como son el ángulo de rozamiento ø y la cohesión C, los que dominan el comportamiento del suelo.

A estos parámetros se le añade el ángulo de dilatación o dilatancia Ψ que se usa para modelar el cambio de volumen irreversible debido al esfuerzo cortante. En los modelos plásticos, este criterio adaptado de la dilatancia se utiliza para calcular las tasas de deformación plástica. En el caso de que se produzca, introduciendo una función de fluencia f que es una función de la tensión y la deformación. La condición f = 0 está relacionada con la fluencia plástica.

El modelo de Mohr Coulumb es simple y aplicable al modelo de espacio de tensión tridimensional para describir el comportamiento plástico. Este modelo encuentra su aplicación en el análisis de estabilidad de presas, taludes, terraplenes y cimentaciones someras. En este modelo, el comportamiento de rotura o colapso parcial o total del suelo se captura en condiciones de drenaje. Sin embargo, la trayectoria de tensión efectiva seguida en materiales no drenados muestra una variación considerable de las observaciones.