Criterios geotécnicos para el diseño de excavaciones en suelos blandos mediante el método de elementos finitos

Abstract

El presente Trabajo Final de Maestría desarrolló un caso de estudio a partir del cual se implementa un análisis de interacción suelo – estructura mediante el método de elementos finitos (FEM), con la finalidad de establecer Criterios Geotécnicos que orienten el diseño de excavaciones en suelos blandos. El análisis ha sido efectuado a partir de la selección e implementación del modelo constitutivo Cam Clay Modificado, el cual representó el comportamiento mecánico y tenso-deformacional del subsuelo, cuyos parámetros fueron establecidos usando información secundaria recopilada de estudios existentes. El modelo de análisis integrado (Suelo-Estructura) fue calibrado a partir de la comparación de los resultados obtenidos en la simulación numérica con los registrados en la instrumentación geotécnica emplazada durante la construcción del caso de estudio. Los resultados obtenidos permitieron establecer una serie de criterios geotécnicos que pueden ser considerados durante el diseño de excavaciones, los cuales buscan orientar más no definir el diseño. Los múltiples factores que influyen en el diseño geotécnico generan que los resultados obtenidos deban ser comparados con casos registrados e instrumentados cuyas características sean similares a las del caso en estudio, de forma tal que se puedan validar, ajustar o descartar. Lo anterior se considera fundamental dado que la experiencia previa permite analizar el comportamiento esperado bajo ciertas condiciones de propias del proyecto, teniendo en cuenta que del proceso constructivo que se implemente dependerá el comportamiento de la obra. La necesidad de efectuar análisis de Interacción Suelo-Estructura que garantice la compatibilidad de esfuerzos y deformaciones en la interfaz, es una condición indispensable en el diseño geotécnico y estructural de las obras, obteniendo las acciones sobre los elementos estructurales con mayor precisión, y optimizando las dimensiones y refuerzo requerido para soportarlos.

Abstract. This master dissertation develops a case study in which a soil-structure interaction analysis is implemented by finite element method (FEM), to establish Geotechnical Criteria that may guide soft soil excavations design. The analysis has been done by the selection and implementation of the Modified Cam Clay Model that represent the mechanical and stress-strain soil behavior, whose parameters were established using secondary data collected from existing studies. An integrated analysis model (Soil-Structure) was calibrated from the comparison between numerical analysis results and geotechnical instrumentation installed during case study construction. Results obtained allow establishing a series of Geotechnical Criteria that may be considered during design excavation process and aim to guide but not to define design. The factors that influence the geotechnical design generate that the results must be compared with instrumented cases with similar characteristics to the study case, so that can be analyzed, evaluated and discarded. This is considered essential given that previous experience allows analyzing expected behavior under specifics project condition, considering that of construction process selected depends building site behavior. The soil-Structure Interaction analysis that ensure compatibility of stresses and strains at the interface, is an essential condition in geotechnical and structural design, getting actions on structural elements more precisely, and optimizing elements dimensions and reinforcement required to support them.