Estudio experimental y análisis numérico de la desecación en suelos arcillosos

Abstract

This thesis focuses on the experimental and numerical study of the desiccation processes of low-plasticity clayey soils that usually result in shrinkage and often in cracking. A comprehensive state of the art that defines the background, variants, objectives, variables and factors affecting the process is presented. In addition, existing theoretical models and numerical simulations in the literature to address the problem of soil desiccation and cracking are reviewed. The experimental study focuses in the first place on auscultation for detecting cracks within a soil mass, which are not visible, with a novel technique in this field: the Ground Penetrating Radar. This technique has been used because of the three-dimensional auscultation requirement and their operational and economic advantages. An experimental study with thin rectangular soil samples is included, that allow studying the influence of the aspect ratio of the samples and the initial size of the soil particles. As part of this thesis, a test has also performed with a cylindrical sample subjected to a rapid desiccation process using the maximum drying capacity available in an environmental chamber at the laboratory, setting the highest possible temperature. The experimental part of the thesis concludes with a comprehensive test of two phases of desiccation and wetting and one phase of flooding on a cylindrical sample of soil, non-existent until now in the literature. For the theoretical development of the numerical model on which this thesis is based, Unsaturated Soils Mechanics, Classic Strength of Materials and concepts of Linear Elastic Fracture Mechanics (LEFM) are used to establish the necessary framework for formulating various phenomena such as water flow in deformable porous medium and cracking. In the body of the thesis, the mathematical formulation of the model and its implementation in a hydro-mechanical coupled program, based on the Finite Element Method (FEM) and Finite Difference Method (FDM) in a MATLAB environment are presented. The ultimate goal of this code is the numerical simulation of the flow in a deformable porous medium and cracking in soils, for which the node release technique is used. A proposal for using the LEFM for describing some of the phases of cracking is included as well. The code developed in this thesis has been used to perform several numerical analyses. Transversal, radial and diametrical sections of cylindrical and prismatic soil samples subjected to drying processes are simulated. Simulations are made to reproduce numerically theoretical experiments and existing experimental results available in the literature as well as from the tests performed in the context of this thesis. The objective of these simulations is to determine the mechanisms by which the soil shrinks and cracks during desiccation.

La presente tesis se centra en el estudio de aspectos experimentales y numéricos de los procesos de desecación en suelos arcillosos de baja plasticidad que habitualmente resultan en retracción y a menudo agrietamiento. Se presenta un exhaustivo Estado del Arte que define los antecedentes, variantes, objetivos, variables y factores que afectan al proceso. Además, se revisan los modelos teóricos y simulaciones numéricas existentes en la literatura para tratar el problema de desecación y agrietamiento del suelo. El estudio experimental se centra en primer lugar en la auscultación para la detección de grietas en el interior de una masa de suelo que, por tanto, no son visibles, con una novedosa técnica en este campo: el georadar. Se ha recurrido a esta técnica por la necesidad de auscultación tridimensional y por sus ventajas operativas y económicas. Se incluye un estudio experimental con muestras rectangulares delgadas de suelo que permite estudiar la influencia de la relación de lados de las muestras y del tamaño inicial de las partículas de suelo. En esta tesis se ha ejecutado también un ensayo con una muestra cilíndrica sometida a un proceso de secado rápido utilizando la máxima capacidad de secado disponible en una cámara ambiental de laboratorio, fijando la temperatura más alta posible. La vertiente experimental de la tesis concluye con un ensayo completo de dos fases de secado y humedecimiento, y una fase de inundación, sobre una muestra de suelo cilíndrica, inexistente hasta la actualidad en la literatura. Para el desarrollo teórico sobre el que se basa el modelo numérico objeto de esta tesis, se utiliza la Mecánica de Suelos no Saturados, la Resistencia de Materiales Clásica y conceptos de la Mecánica de Fractura Lineal Elástica (MFLE) para establecer el marco teórico necesario para formular varios fenómenos como son el flujo de agua en medios porosos deformables y el agrietamiento. En el cuerpo de la tesis se expone de forma detallada la formulación matemática del modelo y su implementación en un programa de cálculo acoplado hidromecánico por el Método de los Elementos Finitos (MEF) y el Método de las Diferencias Finitas (MDF) en el entorno MATLAB. El objetivo final de este programa de cálculo es la simulación numérica del problema hidromecánico de flujo en un medio poroso deformable y del agrietamiento en suelos, para lo cual se recurre a la técnica de liberación de nodos. Se incluye además una propuesta para el uso de la MFLE para la descripción de algunas de las fases del agrietamiento. En la tesis se llevan a cabo un gran número de análisis con el código desarrollado. Se simulan secciones transversales, radiales y diametrales de muestras prismáticas y cilíndricas de suelo sometido a procesos de secado, tanto desde el punto de vista teórico como con la intención de reproducir numéricamente los resultados experimentales disponibles tanto en la literatura como de los ensayos realizados en el desarrollo de esta tesis. Con estas simulaciones se determinan los mecanismos por los cuales el suelo se retrae y agrieta durante la desecación.