Constitutive model evaluation for predicting the mechanical behavior of a residual igneous soil in the south of the Aburrá Valley

Abstract

The dynamic growth shown by cities has generated an accelerated reduction in useful areas and therefore the need to optimize space. This implies the need to execute works with special conditions such as important excavations, often surrounded by infrastructure that is prone to suffer affectations in its functionality and stability. In these cases, a stress-strain behavior evaluation of the soil is necessary. Geotechnical modeling has become the main engineers resource, providing a tool to numerically reproduce or predict the soil behavior. Advanced constitutive models which account for soil anisotropy, stress history, hardening-softening, among other soil characteristics, have been developed in the last decades. Nevertheless, the state of local practice shows that the vast majority of analyses are approached through limit equilibrium theories, or the application of very simple constitutive models. The application of these methods leads to not very accurate predictive results. Another important identified limitation is the lack of studies focused on the mechanical behavior of residual soils and the development and validation of constitutive models, which are often carried out on sedimentary soils. In this work an evaluation of the capabilities of three (3) constitutive models to reproduce the mechanical behavior of an Igneous residual soil in south of The Aburrá Valley is presented. Starting from advanced available residual soil characterization experimental data, the predictive capacity of the evaluated constitutive models was evaluated against very small and large strain responses, drain and undrained conditions, and different shearing paths, considering one single set of constitutive parameters per model. Inverse analysis techniques were applied in order to identify correctly the constitutive parameters that could not be obtained from the experimental data, demonstrating the high applicability of these tools on geotechnical modeling.

El crecimiento dinámico de las ciudades ha generado una reducción de áreas útiles, haciendo necesaria la optimización de espacio, lo que implica la ejecución de obras con condiciones especiales como excavaciones de gran magnitud, frecuentemente cerca de infraestructura existente propensa a sufrir daños. En estos casos se hace necesaria la evaluación del desempeño esfuerzo-deformación del suelo. La modelación numérica se ha convertido en el principal recurso de los ingenieros para predecir el comportamiento del suelo. A pesar de que los modelos constitutivos avanzados son capaces de reproducir aspectos del comportamiento del suelo tales como su historia de carga, anisotropía, entre otros, el estado de la práctica local se desarrolla todavía bajo teorías de equilibrio límite o modelos constitutivos muy simples, cuya aplicación resulta en predicciones poco acertadas. Otra importante falencia identificada es la falta de estudios enfocados en el comportamiento mecánico de suelos residuales, y el desarrollo y validación de modelos constitutivos aplicados a estos, que en la mayoría de casos se enfocan en suelos de origen sedimentario. En este trabajo se evalúa la capacidad de tres modelos constitutivos para reproducir el comportamiento mecánico de un suelo de origen residual de roca Ígnea del sur del Valle de Aburrá. A partir de datos experimentales avanzados de caracterización mecánica se evaluó la capacidad predictiva de los modelos ante respuesta en el rango de muy bajas y largas deformaciones, condiciones drenadas y no drenadas, y diferentes trayectorias de falla, considerando un solo set de parámetros por cada modelo. Se implementaron técnicas de análisis inverso para definir los parámetros que no pudieron ser identificados a partir de los datos experimentales disponibles, demostrando la alta aplicabilidad de este tipo de herramientas en la modelación geotécnica. (Texto tomado de la fuente)