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

Abstract

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 obtenidos se encuentran dentro del rango de valores asociados 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. Estos ensayos fueron sometidos a distintas combinaciones de esfuerzo de corte cíclico (12.5-24 [kPa]) y de esfuerzo de corte medio (0-20 [kPa]). Resultados muestran que existe una marcada relación entre el esfuerzo de corte medio aplicado y las deformaciones angulares generadas. A mayor esfuerzo de corte medio aplicado, existe una mayor acumulación de deformaciones angulares permanentes iniciales, sin embargo, con los ciclos, dada la estabilización del esfuerzo vertical, esta acumulación procede a ser de manera 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 la falla cíclica del suelo. Para los diagramas de contorno realizados para el presente estudio, se agrupan en función del comportamiento de las deformaciones angulares generadas (media o cíclica) como de la cantidad de ciclos requerida para alcanzar un valor umbral de deformación angular. El diagrama de contorno propuesto para el suelo plantea la existencia de 4 grupos o regiones dependiendo del comportamiento observado. Las regiones definidas, en general, coinciden con las regiones estable, metaestable e inestable definidas en diagramas de estabilidad para pilotes (Jardine et. al., 2012), sin embargo, el presente estudio delimita en mayor profundidad la región metaestable, señalando la existencia de dos subregiones para este caso. En cuanto a los valores de esfuerzo de corte medio y cíclico definidos, permiten complementar la zona de pequeños esfuerzos de un diagrama de contorno para arena de Ottawa de similares características (Blaker y Andersen, 2019). En cuanto a la resistencia a corte, es observado que la existencia de preshearing mejora la resistencia del suelo, evitando que se alcancen estados con esfuerzos verticales nulos y evitando en menor medida la degradación existente debido a los ciclos. Resultados y conclusiones similares son vistas en estudios enfocados en pilotes (Jardine, 1991). La respuesta monótona post ciclos es evaluada con la realización de 12 ensayos monótonos controlados por deformaciones, realizados luego de una etapa cíclica en donde distintos valores de esfuerzos de corte cíclico fueron evaluados (15, 17.5 y 20 [kPa]). Estos ensayos presentaron una consolidación inicial de 100 [kPa]. Fue evaluada la influencia de las condiciones iniciales de los ensayos monótonos post ciclos, es decir, se analizaron cambios respecto a la existencia de reconsolidación tras los ciclos, retorno de deformaciones angulares o esfuerzos de corte residuales a cero debido a la etapa cíclica. Los ensayos monótonos post ciclos fueron comparados con los ensayos monótonos, con el fin de buscar diferencias y semejanzas entre ellos. Resultados indican que la aplicación de una reconsolidación posterior a la etapa cíclica permite una leve recuperación de la respuesta a corte del suelo, debido a la densificación producida. Sin embargo, no es relevante la amplitud de esfuerzo de corte cíclico aplicado durante la etapa cíclica si durante ésta es alcanzada la línea de estado crítico, ya que existe evidencia de comportamientos similares entre 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. Values obtained are within the range of values 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]. These tests were subjected to different combinations of cyclic shear stress (12.5-24 [kPa]) and medium shear stress (0-20 [kPa]). Results show that there is a marked relationship between the average shear stress applied and the angular deformations generated. As average applied shear stress is higher, greater is the 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 contour diagrams made for the present study, they are grouped according to the behavior of generated angular deformations (average or cyclic) as well as the number of cycles required to reach a threshold value of angular deformation. The proposed contour diagram for the soil suggests the existence of 4 groups or regions depending on the observed behavior. The defined regions, in general, coincide with the stable, metastable and unstable regions defined in stability diagrams for piles (Jardine et. al., 2012), however, the present study delimits the metastable region, pointing out the existence of two subregions for this case. As for the mean and cyclic shear stress values defined, they allow complementing 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 avoiding to a lesser extent the existing degradation due to cycling. Similar results and conclusions are seen in studies focused on piles (Jardine, 1991). The post-cyclic monotonic response is evaluated by performing 12 deformation-controlled monotonic tests, performed after a cyclic stage where different values of cyclic shear stresses were evaluated (15, 17.5 and 20 [kPa]). These tests presented an initial consolidation of 100 [kPa]. The influence of the initial conditions of the post-cycle monotonic tests was evaluated, i.e., changes were analyzed with respect to the existence of reconsolidation after the cycles, return of angular deformations or residual shear stresses to zero due to the cyclic stage. The post-cycle monotonic tests were compared with the monotonic tests in order to look for differences and similarities between them. Results indicate that the application of a reconsolidation after the cyclic stage allows a slight recovery of the soil shear response, due to the densification produced. However, the amplitude of the cyclic shear stress applied during the cyclic stage is not relevant if the critical state line is reached during the cyclic stage, since there is evidence of similar behavior between tests.