Thesis:

Estudio de la respuesta a corte de un suelo granular frente a cargas cíclicas de larga duración

Las fundaciones profundas offshore se encuentran sometidas bajo los efectos de las mareas y tormentas, fenómenos que se caracterizan por su baja frecuencia y gran cantidad de ciclos de carga. Debido a los costos e ingeniería asociado a este tipo de proyectos, asegurar resistencia es clave. Existe evidencia de que el efecto acumulado de los ciclos puede producir asentamientos o degradación en la capacidad de soporte de la fundación, lo cual depende de la dirección de las cargas aplicada (Poulos, 1989) como también la combinación de éstas (Andersen, 2009). Es importante tener un completo marco de trabajo que permita determinar el comportamiento de cargas monótonas y cíclicas del suelo, identificando parámetros tales como el historial de esfuerzos previos, valores de cargas medias y cíclicas, deformaciones angulares, condiciones de drenaje, etc. Con el fin de investigar este fenómeno, han sido realizados ensayos a gran escala (Jardine et. al, 2012), como ensayos a mediana escala (Tsuha et. al, 2012), a partir de los cuales se han obtenido diagramas de interacción (Poulos, 1989) que permiten entregar límites en función de la reducción de la capacidad de soporte observada. Sin embargo, los altos costos de este tipo de ensayos hacen necesario buscar otra alternativa. Estudios enfocados en el análisis de esfuerzos generados en el suelo adyacente a pilotes (Boulon y Foray, 1986; Lehane, 1993) han presentado la importancia de la relación existente entre el esfuerzo radial local y el desplazamiento generado en el suelo, ya que controla la capacidad de soporte. Es posible evaluar esta relación mediante ensayos de laboratorio realizados al suelo, sin embargo, para obtener una relación conservadora, se propone que el equipo CDSS, bajo condiciones de volumen constante, es el más adecuado para ello. El presente estudio de la respuesta a corte de un suelo granular frente a cargas cíclicas de larga duración permite complementar los estudios existentes en esta área abarcando el tópico de suelos granulares. La base de datos existente de este tipo de estudios se enfoca en arcillas, debido a que las investigaciones asociadas a estructuras offshore son realizadas principalmente por países nórdicos. En este estudio se evalúa el efecto de esfuerzos de corte cíclicos simétricos y asimétricos en la respuesta monótona, cíclica y post cíclica del suelo, en términos de deformaciones angulares (media o cíclica), trayectoria de esfuerzos, cambios en el módulo de corte, entre otros. Un total de 34 ensayos en equipo CDSS fueron realizados, en los cuales es utilizada arena de Ottawa, la cual presenta una amplia base técnica disponible (Parra, 2016). Las muestras fueron realizadas bajo condiciones secas y a una densidad relativa de 70% (1.692 g/cm³), con el fin de simular condiciones de un suelo medio-denso. Los ensayos realizados se dividen en 6 ensayos monótonos, 16 ensayos cíclicos y 12 ensayos monótonos post ciclos. Con el fin de estudiar la respuesta monótona de la arena, 6 ensayos monótonos controlados por deformaciones son realizados, los cuales son sometidos a diferentes esfuerzos de consolidación (100, 300 y 500 kPa) bajo condiciones de presión y volumen constante. Resultados obtenidos señalan que la arena Ottawa presenta un ángulo de fricción de 28° para el caso a presión o esfuerzo vertical constante y 30,4° para el caso a volumen constante, valores que se encuentran dentro del rango asociado al material (Bhaumik, 2015; Parra, 2016). En cuanto al análisis de la respuesta cíclica del material, 16 ensayos cíclicos controlados por esfuerzos, bajo condiciones de volumen constante y con esfuerzo de consolidación de 100 kPa, son realizados y sometidos a distintas combinaciones de esfuerzo de corte cíclico (12,5–24 kPa) y esfuerzo de corte medio (0–20 kPa). Los resultados muestran que existe una marcada relación entre el esfuerzo de corte medio aplicado y las deformaciones angulares generadas, observándose que a mayor esfuerzo de corte medio existe una mayor acumulación inicial de deformaciones angulares permanentes, aunque con los ciclos, dada la estabilización del esfuerzo vertical, esta acumulación se vuelve más lenta. El comportamiento de la deformación angular es presentado en diagramas de contorno (Andersen, 1988), los cuales buscan representar de forma normalizada los distintos escenarios posibles de falla cíclica del suelo y que, para el presente estudio, se agrupan en función del comportamiento de las deformaciones angulares generadas y de la cantidad de ciclos requerida para alcanzar un umbral de deformación angular. El diagrama de contorno propuesto plantea la existencia de cuatro regiones dependiendo del comportamiento observado, las cuales coinciden en términos generales con las regiones estable, metaestable e inestable definidas en estudios de pilotes (Jardine et. al., 2012), distinguiéndose en este trabajo dos subregiones dentro de la zona metaestable, complementando además la zona de pequeños esfuerzos de diagramas previos para arena Ottawa (Blaker y Andersen, 2019). En cuanto a la resistencia a corte, se observa que la existencia de preshearing mejora la resistencia del suelo, evitando alcanzar estados de esfuerzos verticales nulos y reduciendo en menor medida la degradación inducida por los ciclos, comportamiento consistente con investigaciones previas en pilotes (Jardine, 1991). Finalmente, la respuesta monótona post ciclos es evaluada mediante 12 ensayos monótonos controlados por deformación realizados tras una etapa cíclica con distintos valores de esfuerzo de corte cíclico (15, 17,5 y 20 kPa) y una consolidación inicial de 100 kPa, analizando la influencia de la reconsolidación, el retorno de deformaciones angulares y de esfuerzos residuales, observándose que la reconsolidación posterior permite una leve recuperación de la resistencia a corte debido a la densificación generada, mientras que la amplitud del esfuerzo cíclico resulta poco relevante si durante la etapa cíclica se alcanza la línea de estado crítico, evidenciándose respuestas similares entre los ensayos.

Deep offshore foundations are subject to effects of tidal and storm surges, characterized by low frequency and large number of load cycles. Due to the costs and associated engineering with this kind of project, ensuring resistance is key. Evidence shows that the cumulative effect of cycling can produce settlement or degradation in the bearing capacity of the foundation, which depends on the direction of the applied loads (Poulos, 1989) as well as the combination of these (Andersen, 2009). It is important to have a complete framework to determine the monotonic and cyclic loading behavior of the soil, identifying parameters such as previous stress history, values of average and cyclic loads, angular deformations, drainage conditions, and others. In order to investigate this phenomenon, large-scale tests (Jardine et. al., 2012), as well as medium-scale tests (Tsuha et. al., 2012) have been carried out, from which interaction diagrams (Poulos, 1989) have been obtained to provide limits as a function of the observed reduction in bearing capacity. However, the high costs of this type of tests make it necessary to look for another alternative. Studies focused on the analysis of stresses generated in the soil adjacent to piles (Boulon and Foray, 1986; Lehane, 1993) have shown the importance of the relationship between the local radial stress and the displacement generated in the soil, since it controls the bearing capacity. It is possible to evaluate this relationship by laboratory tests performed on the soil; however, in order to obtain a conservative relationship, it is proposed that the CDSS equipment, under constant volume conditions, is the most suitable for this purpose. The present study of the shear response of a granular soil to long-term cyclic loading complements existing studies in this area covering the topic of granular soils. The existing database of this type of studies focuses on clays because the research associated with offshore structures is mainly carried out by Nordic countries. This study evaluates the effect of symmetric and asymmetric cyclic shear stresses on the monotonic, cyclic and post-cyclic response of the soil, in terms of angular deformations (average or cyclic), stress path, changes in shear modulus, among others. A total of 34 CDSS tests were performed, using Ottawa sand, which has a broad technical base available (Parra, 2016). The samples were performed under dry conditions with a relative density of 70% (1.692 g/cm³), in order to simulate medium-dense soil conditions. The tests performed are divided into 6 monotonic tests, 16 cyclic tests and 12 post-cycle monotonic tests. In order to study the monotonic response of the sand, 6 deformation-controlled monotonic tests are performed, which are subjected to different consolidation stresses (100, 300 and 500 kPa) under conditions of constant pressure and volume. Results obtained indicate that the Ottawa sand presents a friction angle of 28° for the case at constant pressure or vertical stress and 30.4° for the case at constant volume, with values within the range associated with the material (Bhaumik, 2015; Parra, 2016). Regarding the analysis of the cyclic response of the material, 16 stress-controlled cyclic tests were performed under constant volume conditions and with a consolidation stress of 100 kPa, subjected to different combinations of cyclic shear stress (12.5–24 kPa) and mean shear stress (0–20 kPa). Results show a marked relationship between the average shear stress applied and the angular deformations generated, where higher average shear stress leads to greater accumulation of initial permanent angular deformations; however, with cycling, given the stabilization of the vertical stress, this accumulation proceeds slowly. The behavior of the angular deformation is presented in contour diagrams (Andersen, 1988), which seek to represent in a normalized form the different possible scenarios of cyclic soil failure; for the present study, these diagrams are grouped according to the behavior of generated angular deformations (average or cyclic) and the number of cycles required to reach a threshold value of angular deformation. The proposed contour diagram for the soil suggests the existence of four regions depending on the observed behavior, which generally coincide with the stable, metastable and unstable regions defined in pile stability diagrams (Jardine et. al., 2012), although this study further delimits the metastable region by identifying two subregions. The defined mean and cyclic shear stress values complement the small-stress zone of a contour diagram for Ottawa sand of similar characteristics (Blaker and Andersen, 2019). Regarding shear strength, it is observed that the existence of preshearing improves soil resistance, preventing the achievement of states with zero vertical stresses and reducing, to a lesser extent, the degradation induced by cycling, consistent with results reported in pile-oriented studies (Jardine, 1991). The post-cyclic monotonic response is evaluated through 12 deformation-controlled monotonic tests performed after a cyclic stage with different cyclic shear stress values (15, 17.5 and 20 kPa) and an initial consolidation of 100 kPa, analyzing the influence of reconsolidation, return of angular deformations and residual shear stresses to zero. Results indicate that applying reconsolidation after the cyclic stage allows a slight recovery of soil shear response due to densification; however, the amplitude of cyclic shear stress during the cyclic stage is not relevant if the critical state line is reached, as similar behavior is observed among tests.