Análisis estático de esfuerzos y deformaciones en presas de tierra

Abstract

La determinación del estado de esfuerzos y deformaciones en las diferentes etapas de la vida de las presas de tierra y de enrocado ha tomado últimamente una gran importancia. Esto es debido al incremento en altura de estas estructuras, así como también el aprovechamiento cada vez mayor de sitios en donde las condiciones naturales no son las ideales. Actualmente la herramienta analítica más poderosa para llevar a cabo la determinación a priori del estado de esfuerzos y deformaciones en una presa de tierra o de enrocado es el procedimiento de análisis incremental estático de elementos finitos, que ejecuta los análisis en una serie de etapas o incrementos de carga. Debido a que las características esfuerzo-deformación de los suelos son muy complejas y el comportamiento de los suelos es no lineal, dependiente de esfuerzos e inelástico; es necesario desarrollar un concepto simple para describir el comportamiento del suelo en los análisis de ingeniería geotécnica mediante ensayos rutinarios de laboratorio. Cuando tres especímenes idénticos de un mismo suelo son sometidos en ensayos triaxiales a tres presiones de confinamiento diferentes, las curvas de esfuerzo-deformación resultantes serán diferentes. Estas curvas de esfuerzo-deformación exhiben tres características importantes que casi todos los suelos tienen en común (1) nolinealidad: las curvas de esfuerzo-deformación son nolineales, por lo que no pueden representarse como líneas rectas en una porción apreciable de sus longitudes. Esta nolinealidad se toma en cuenta en la representación hiperbólica, aproximando la forma de estas curvas mediante hipérbolas; (2) dependencia de esfuerzo: para todos los suelos, excepto los saturados ensayados bajo condiciones no-drenadas, la rigidez y la resistencia del suelo variará con la magnitud de la presión de confinamiento (σ3). Esta dependencia del esfuerzo es tomada en cuenta en la representación hiperbólica. relacionando los valores de los coeficientes que gobiernan las formas de las hipérbolas a la presión de confinamiento. Se utilizan ecuaciones empíricas para estas relaciones; (3) inelasticidad: las curvas de esfuerzo deformación para descarga y recarga son distintas de aquella para carga primaria; es decir existen deformaciones irrecuperables o inelásticas. En la representación hiperbólica se toma en cuenta la inelasticidad. utilizando el módulo descarga-recarga para los elementos que se encuentran expedientando descarga o recarga, en vez de carga primaria. Similares relaciones son utilizadas para tomar en cuenta las variaciones de la relación de Poisson y el módulo de bulle con las magnitudes de los esfuerzos. La representación hiper bélica, que es un modelo semi-empírico, ha demostrado ser de gran aplicación en la ingeniería geotécnica. Las relaciones hiperbólicas de esfuerzo deformación cambio volumétrico, han sido desarrolladas para modelar el comportamiento del suelo en el análisis estático de esfuerzos y movimientos, utilizando el método de elementos finitos de un modo incremental. En cada incremento de carga del análisis se trata al suelo como elástico lineal, en donde sólo es necesario calcular el módulo de Young y la relación de Poisson tangentes para definir la ley constitutiva. La representación hiperbólica proporciona un medio para la determinación de estos dos valores. Las relaciones hiperbólicas de esfuerzo-deformación-cambio volumétrico pueden aplicarse a los análisis de deformación tanto drenados como no-drenados. Pare. simular las condiciones drenadas en el campo se utiliza la información de ensayos de laboratorio triaxiales consolidados-drenados en la determinación de los valores de los parámetros apropiados. Por otro lado, para simular las condiciones no-drenadas en el campo se utiliza la información de ensayos de laboratorio triaxiales no-consolidados no drenados. Ambos tipos de ensayos se realizan en nuestro medio. El aspecto más importante en la determinación del estado de esfuerzos y deformaciones en una presa de tierra o de enrocado, es la determinación de las propiedades para representar el comportamiento de los materiales, tanto del terraplén como de la cimentación. Las relaciones hiperbólicas utilizadas para caracterizar el comportamiento esfuerzo-deformación de loe suelos, así como las interpretaciones de los ensayos de laboratorio para determinar loe valores de loe parámetros en el análisis se describen en la presente tesis. En esta tesis se resumen las formulaciones hiperbólicas de esfuerzo-deformación-cambio volumétrico existentes, para ser utilizadas en el ^análisis de deformaciones de presas de tierra y enrocado. También se describe el programa de cómputo - ISBILD, desarrollado por Ozawa y Duncan (1973), en la Universidad de California - Berkeley, para el análisis estático de esfuerzos y movimientos en presas de tierra y enrocado, que utiliza la técnica de elementos finitos y emplea relaciones - esfuerzo-deformación-cambio volumétrico hiperbólicas. Además, se presenta de modo ilustrativo resultados sobre la utilización del programa ISBILD en el análisis "después de la construcción" del Embalse Recreta, localizado en el departamento de Ancash. Se presenta también los resultados gráficos del análisis del Embalse Recreta, utilizando el graficador CALCOMP de Electroperú. Finalmente se presentan las conclusiones y recomendaciones de esta tesis, así como las referencias disponibles en la literatura relacionada con el tema de estudio.