Tesis Doctorales

La presente tesis doctoral podría resultar de interés en cualquier campo donde la fractura de rocas juega un papel fundamental, como pueden ser, por ejemplo, la ingeniería civil, la ingeniería de minas o la ingeniería de la energía.

Este trabajo trata de dar respuesta a la demanda general de herramientas y metodologías para la evaluación de la fractura de rocas en componentes entallados, dejando a un lado la conservadora aplicación de la mecánica de fractura clásica que ha sido tradicionalmente empleada para lidiar con este tipo de problemas.

En particular, se estudia la aplicabilidad de la Teoría de las Distancia Críticas (TDC) y el criterio de Densidad de Energía de Deformación (DED) en el ámbito de la mecánica de rocas, tratando de resaltar las ventajas y limitaciones de ambas metodologías en materiales de tipo roca. Para ello, el trabajo se centra en el comportamiento de fractura de seis tipos de roca de variada litología, bajo la presencia de defectos tipo entalla en forma de “U” con diferentes radios, bajo diferentes modos de carga (modo I y modo mixto I+II) y bajo diferentes condiciones de temperatura de hasta 250ºC, rango de temperaturas habitual en aplicaciones geotérmicas, por ejemplo.

La creciente demanda de energías renovables frente a las tradicionales y la necesidad de nuevos emplazamientos han provocado en los últimos años un gran desarrollo de la energía eólica offshore, en un intento de aprovechar los vientos existentes mar adentro.

En aquellos emplazamientos de reducida plataforma continental, como es el caso del Mar Cantábrico, son necesarias plataformas de tipo flotante, dadas las profundidades a las que se encuentra el fondo marino.

Uno de los sistemas de amarre de creciente utilidad para estas tipologías de plataforma es el compuesto por líneas tensadas ancladas al fondo marino mediante un ancla de tipo plano.

Con el objetivo de estudiar la interacción de ese tipo de ancla con el fondo marino, se analiza, en esta tesis, el comportamiento de anclas planas embebidas en dicho fondo marino, con especial atención a la capacidad de dichas anclas.

El estudio se aborda desde dos perspectivas, una experimental y otra numérica. En el primero de los casos, se han llevado a cabo ensayos en modelo reducido de tiro vertical de anclas planas embebidas en arena. En relación al análisis numérico, se han simulado los citados ensayos mediante códigos de elementos finitos bidimensionales y tridimensionales.

En ambos casos, se ha elegido la arena de la Bahía de Santander como material arenoso de estudio, de la cual se han obtenido parámetros reales. También en ambos casos, en un intento de analizar la influencia de la forma geométrica de la placa, se han ensayado y modelado 2 geometrías, una circular y otra cuadrada a diferentes profundidades.

Finalmente, los resultados numéricos se han comparado con los experimentales, tanto realizados en este trabajo como disponibles en la bibliografía consultada.

Con el objetivo de obtener de forma sencilla y económica las características mecánicas de la masa de residuo en un vertedero, se ha realizado una campaña de ensayos de campo utilizando pruebas presiométricas y de penetración estática. Esto ha permitido la obtención de los valores de los parámetros resistentes y deformacionales de los vertederos estudiados.

En los últimos años, se han introducido los Tratamientos Mecánicos y Biológicos (M.B.T.) en la gestión de residuos. Los objetivos fundamentales de estos son la disminución de la actividad de la materia orgánica en los materiales depositados en el vertedero, así como la reducción de la masa y volumen de residuos vertidos. Actualmente no es suficientemente conocido el efecto que estos tratamientos tienen en la resistencia, por lo que se ha realizado un estudio mediante ensayos de laboratorio de los materiales generados en la planta de tratamiento del vertedero de Meruelo (Cantabria). Para el estudio se han realizado ensayos de corte directo sobre probetas de base cuadrada de 300 mm de lado y ensayos de compresión triaxial consolidados drenados sobre probetas de 100 mm de diámetro. La campaña ha permitido obtener las características mecánicas de los dos materiales generados en la planta, así como de muestras con proporciones variables de los mismos.

Por último, se ha realizado el análisis retrospectivo de un accidente real (Back-analysis) ocurrido en un vertedero de R.S.U. sin tratar, lo que ha permitido determinar las posibles causas y las características resistentes de los residuos involucrados.

Los pilotes habitualmente se clasifican en función de la forma de trabajo, del modo de ejecución, del material del que están constituidos y de la forma de la sección transversal.
Tradicionalmente, en función del modo de ejecución, los pilotes se han clasificado en pilotes ejecutados in situ y pilotes prefabricados hincados.

Dentro de los pilotes ejecutados in situ, los pilotes perforados inyectados se han venido utilizando sobre todo en suelos carbonatados, ya que este tipo de materiales son conocidos por presentar una baja resistencia por el fuste, existiendo una gran base de conocimiento tanto en ensayos de campo a escala real y a escala reducida, como en ensayos de laboratorio a escala reducida.

Debido a los altos costes de instalación de los pilotes perforados e inyectados, se ha planteado y estudiado como sistema alternativo de cimentación el empleo de pilotes hincados de acero de sección tubular inyectados por el fuste, existiendo cierta base de conocimiento en ensayos de campo a escala real y a escala reducida, aunque amplia en ensayos de laboratorio a escala reducida.

La realidad es que, debido a la incertidumbre en la cobertura de los pilotes, a su difícil monitorización y a la posible retracción de la lechada inyectada, los pilotes hincados de acero de sección tubular inyectados por el fuste no se han utilizado nunca a nivel de ejecución.

Por otra parte, se han planteado y estudiado diferentes sistemas para facilitar la hinca, tanto de pilotes metálicos como de pilotes de hormigón, utilizándose la inyección lateral bien para rellenar el espacio generado entre el pilote y el terreno durante la hinca o bien para rellenar unas membranas laterales adosadas a las caras del pilote. Únicamente se han utilizado a nivel de ejecución en el caso de pilotes hincados de acero de sección abierta.

En esta tesis se ha desarrollado y patentado un nuevo tipo de pilote, el Pilote Hincado de Hormigón Reinyectado por el Fuste (PHRF).

Se trata de un pilote prefabricado de hormigón de alta resistencia de sección cuadrada, con un eje hueco interior a lo largo de toda su longitud y una serie de orificios perpendiculares a éste dotados de válvulas anti-retorno, que permiten establecer una comunicación unidireccional desde el interior del pilote hacia las caras exteriores del mismo, de manera que una vez éste ha sido hincado, es posible inyectarlo por el fuste con presión, de forma que tenga una resistencia por el fuste superior a la de un pilote hincado de hormigón convencional.

El nuevo tipo de pilote permite reducir la longitud de los pilotes, el tiempo de ejecución y el coste de la cimentación.

Se presenta el primer caso de utilización de la nueva tipología de pilote. Se describe la problemática geotécnica existente, se muestra el pre-dimensionamiento realizado y se analizan los resultados obtenidos.
Con objeto de verificar la capacidad de los pilotes y el incremento en la resistencia por el fuste como consecuencia de la inyección, se realizaron pruebas dinámicas de carga tanto antes como después de la misma, quedando clara la influencia de ésta, ya que la capacidad por el fuste se multiplicó de dos a seis veces.

El tratamiento con columnas de grava es uno de los métodos de mejora del terreno empleados habitualmente para la cimentación de terraplenes o estructuras sobre suelos blandos. El estudio realizado en esta Tesis Doctoral se centra en analizar:
– La influencia de la densidad de la grava de la columna
– El empleo de columnas ensacadas con geotextil.

El análisis de la influencia de la densidad de la grava se ha realizado mediante ensayos realizados en laboratorio en modelo reducido con dos densidades de la grava diferentes y varias áreas de sustitución. Los ensayos se realizaron en una célula edométrica Rowe-Barden instrumentada en la que se ha estudiado el comportamiento de una rebanada de una celda unidad. El análisis de los resultados se ha centrado en el reparto tensional suelo-columna, la reducción de asientos y la disipación de presiones intersticiales. Para completar el estudio se han realizado simulaciones numéricas de los ensayos, además los resultados experimentales se han comparado con los obtenidos del empleo de las soluciones analíticas más relevantes. El estudio de columnas ensacadas se ha llevado a cabo de forma análoga mediante ensayos a escala reducida en el laboratorio. Los resultados se han contrastado con los obtenidos de simulaciones numéricas y de las soluciones analíticas más representativas.

Estudio de los suelos de la Bahía de Santander (España) mediante métodos estadísticos, a partir de muestras de datos obtenidos en más de cien campañas de reconocimiento del terreno. Se analizan los coeficientes de variación de los parámetros geotécnicos, sus funciones de distribución de probabilidad y los coeficientes que permiten estimar los valores característicos y valores de cálculo. Finalmente se analizan las correlaciones aceptables entre los distintos parámetros. Se concluye que la tangente del ángulo de rozamiento y el peso específico seco son los parámetros con mínimo coeficiente de variación. Todos los parámetros se ajustan a funciones de distribución log-normal. Los coeficientes parciales de seguridad son muy sensibles al coeficiente de variación y al número de datos de la muestra.

El estudio de los parámetros resistentes de los geosintéticos utilizados en los sistemas de impermeabilización de vertederos es un tema muy importante. Estos sistemas contienen diferentes interfaces (geosintético/geosintético y/o suelo/geosintético), muchas de las cuales tienen baja resistencia al deslizamiento. Esto potencia la existencia de superficies de rotura a lo largo de los taludes de los vertederos.

El conocimiento de los parámetros resistentes al corte de los contactos entre geosintéticos (geotextiles, geomallas, geomembranas, etc.) y suelo ha sido investigado en la Universidad de Cantabria. Para ello se ha desarrollado una metodología del ensayo de corte directo 300×300 mm entre dos geosintéticos, entre suelo y geosintético, obteniendo los parámetros resistentes de estas interfaces.

Seguidamente, en el Instituto de Geotecnia de la Universidad de Freiberg, se ha desarrollado el modelo de comportamiento resistente al corte de la interfaz geomembrana/geotextil. Este modelo se ha implementado en el programa de diferencias finitas FLAC3D para el desarrollo del modelo numérico. Comprobando que existe una excelente concordancia entre resultados de laboratorio, modelo analítico y modelo numérico.

Los ensayos in-situ son de las pruebas más usuales para caracterizar un terreno en cuanto a su identificación, resistencia y/o deformabilidad. Dentro de los ensayos insitu, los ensayos de penetración son, con seguridad, los más utilizados.

A estos ensayos de penetración, aún siendo los más usados, no se los conoce con la debida profundidad. Las correlaciones que existen, relacionadas con el ensayo de penetración estándar SPT, son múltiples y, aún teniendo muchas limitaciones, son correlaciones comúnmente aceptadas y consideradas como válidas para el cálculo de las características georresistentes, de deformabilidad y de algunos parámetros de identificación de un suelo.

El principal problema es que existen numerosos tipos de ensayos de penetración, cada uno con sus características particulares. Intentar correlacionar los resultados de unos con los de otros es labor, no sólo imprescindible, sino que, lamentablemente, muy complicada. Las fórmulas que actualmente existen no son más que fórmulas aproximadas. El objetivo principal de este trabajo de investigación ha sido intentar aportar algo de mejora en las fórmulas que correlacionan dichos resultados.

La penetración está íntimamente relacionada con la energía nominal del ensayo, que es la energía potencial que tiene la maza que, con una determinada masa, es elevada hasta una altura de caída sobre el yunque, o pieza que descansa sobre el varillaje.

Es necesario, por tanto, conocer en profundidad el mecanismo de transmisión de esa energía y su propagación hasta el cono para comprender el comportamiento y los resultados de estos ensayos.

La energía de la que depende la penetración no es estrictamente la energía nominal, sino que es la porción de la energía potencial total de la maza que, efectivamente, es transmitida a las barras (ENTHRU) y más en concreto la que llega a la punta del cono (ENTHRUcono). La ENTHRU se calcula mediante las medidas de sensores de aceleración y galgas extensométricas, que instrumentan la parte superior del varillaje. Para el cálculo de la ENTHRUcono se plantean unas correcciones por pérdida de energía en su transmisión a través del varillaje y por rozamiento lateral de las barras con el terreno circundante. También se hace una corrección por el trabajo extra que genera el peso del varillaje al penetrar en el terreno.

La hipótesis principal de esta tesis se basa en que es necesario que la ENTHRUcono supere un cierto valor umbral de energía para que se produzca penetración.

Se realizó una campaña de ensayos en la localidad de Arija (Burgos) en un terreno muy homogéneo formado por un paquete de arenas silíceas bastante uniformes y de gran potencia.

Tras el procesado de las medidas de las pruebas de campo, se confirmó la existencia de la correlación entre penetración y ENTHRUcono y la existencia del umbral de energía.

De este modo se plantean finalmente dos fórmulas, una más precisa y otra sólo aproximada, para correlacionar los resultados de dos ensayos de penetración dinámica diferentes entre sí, a través de la ENTHRUcono, o la ENTHRU, el umbral de energía, las áreas transversales de los conos y las penetraciones totales de los dos ensayos de penetración cuyos resultados se quieren relacionar entre sí.

El estudio del proceso de consolidación radial alrededor de las columna de grava y de la interacción suelo-columna suele realizarse analizando una celda unitaria formada por una columna de grava central y el área de terreno circundante, sobre la cual ejerce su acción de mejora. En esta tesis doctoral se ha modelizado a escala reducida una celda unidad para analizar la transferencia de carga entre la columna y el terreno y el proceso de consolidación que se produce alrededor de la columna, para condiciones de carga vertical rígida.

Se han realizado ensayos con columnas de dos diámetros distintos, con el fin de estudiar también la influencia del área de suelo blando reemplazada por la columna. Se presentan los resultados obtenidos en cada ensayo, su interpretación, y la comparación con soluciones teóricas existentes. Todo ello tanto para el análisis de la consolidación radial como para el comportamiento deformacional del conjunto suelo-columna.

Las columnas de grava constituyen uno de los métodos habituales de mejora del terreno para la cimentación de terraplenes o estructuras en suelos blandos. Mejoran la capacidad portante y la estabilidad al deslizamiento y reducen el valor del asiento y el tiempo que tarda en producirse.

Las columnas acortan el camino de drenaje de una forma similar a los drenes verticales. Por ello, suelen emplearse las mismas soluciones para estudiar su consolidación radial. Sin embargo, las columnas son mucho más rígidas que los drenes y soportan una parte importante de la carga. En esta tesis se ha desarrollado una solución analítica que permite incluir la interacción radial y vertical entre el suelo y la columna en el estudio de su consolidación radial. La solución permite obtener las tensiones y las deformaciones en cualquier instante a través de una sencilla hoja de cálculo.
Se presentan también los resultados de la instrumentación realizada en dos obras reales en las que el terreno fue mejorado con columnas de grava.