Estudio de la tenacidad a fractura Modo I en el ciclo de secado de las margas azules del Guadalquivir

Abstract

La Teoría de Suelos Parcialmente Saturados presenta deficiencias de conocimiento en cuanto a la influencia de parámetros, tales como la succión, en el proceso de fracturación del suelo. Así, el siguiente Trabajo Fin de Máster tiene la finalidad de ampliar el conocimiento tanto experimental como numérico en lo que respecta a la tenacidad a fractura del modo I haciendo uso de la Mecánica de la Fractura Elástica Lineal. La resistencia a la fractura en suelos parcialmente saturados resulta importante para el estado del conocimiento porque permite identificar y predecir el comportamiento de materiales como la Marga Azul del Guadalquivir, así como mejorar la estabilidad y seguridad de los mismos. Ambas teorías, la mecánica de suelos parcialmente saturados y la mecánica de la fractura se pueden aplicar no sólo para mejorar la seguridad, sino también para aumentar el rendimiento y la rentabilidad de las estructuras geotécnicas. Se realiza así una campaña de ensayos en laboratorio con el objetivo de determinar experimentalmente el valor de la tenacidad a fractura Modo I, KIC, para diferentes valores de succión, estudiando así el ciclo de secado de un material muy común en el Valle del Guadalquivir, este es, la marga azul. Seguidamente, se realizan una serie de análisis numéricos a partir del método de los elementos finitos, con el fin de verificar y comparar los resultados experimentales obtenidos en el laboratorio con los resultados numéricos obtenidos a través del programa de cálculo Abaqus. Finalmente, se obtiene una relación entre la succión y distintos parámetros de resistencia, tales como, la carga última, módulo de deformación y, especialmente, la tenacidad a fractura KIC que permite conocer el comportamiento del suelo en el ciclo de secado. Este conocimiento podrá aplicarse a cálculo de estructuras de contención y taludes, permitiendo así un uso más óptimo de estas estructuras geotécnicas.

The theory of Partially Saturated Soils displays knowledge deficiencies regarding the influence of parameters, such as suction, in the soil fracturing process. Thus, the following Master’s Thesis has the purpose of expanding both experimental and numerical knowledge regarding Mode I fracture toughness making use of Linear Elastic Fracture Mechanics. Fracture resistance in partially saturated soils is important for the state of knowledge, allowing to identify and predict the behavior of materials such as the clay, as well as improving their stability and safety. Both theories, Partially Saturated Soil Mechanics and Fracture Mechanics can be applied not only to improve safety, but also to increase performance and cost effectiveness of geotechnical structures. Hence, a laboratory test campaign is carried out with the aim of experimentally determining the Mode I fracture toughness value, KIC, for different suction values, thus studying the drying cycle of a very common material in the Guadalquivir Valley at is it the blue marl. Next, a series of numerical analysis are carried out using the finite element method, in order to verify and compare the experimental results obtained in the laboratory with the numerical results captured through the Abaqus calculation program. Finally, a relationship between the suction and different resistance parameters is obtained , such as the ultimate load, deformation modulus and, especially, the fracture toughness KIC that allows know the behavior of the soil in the drying cycle. This knowledge can be applied to the calculation of retaining structures and slopes, thus allowing to optimize the use of these geotechnical structures.