Influencia de las propiedades hidro-mecánicas de estructuras de suelo reforzado con geosintéticos permeables en el comportamiento y desarrollo del fenómeno de la barrera capilar

Abstract

RESUMEN : Los geosintéticos se han convertido en una alternativa sustentable en términos ambientales y económicos, al emplearse como material de construcción en problemas geotécnicos. Una de las principales aplicaciones ha sido en la construcción de estructuras de suelo reforzado. La estabilidad y funcionalidad de estas estructuras dependen, en parte, de las condiciones de flujo y drenaje que se generen en la interfaz de los materiales empleados, al considerar que la interacción de distintos materiales durante el proceso de infiltración bajo condiciones parcialmente saturadas puede generar la presencia de mecanismos de retención de agua, tal como el fenómeno de barrera capilar, el cual desarrolla una frontera hidráulica y por consiguiente un flujo preferente alrededor de la interfaz suelo-geotextil. Por lo tanto, el estudio del desempeño de las estructuras de suelo reforzados con geotextiles permeables requiere considerar la presencia y desarrollo de la barrera capilar bajo distintas condiciones y materiales empleados. Mediante un análisis numérico se evaluó el desempeño de la barrera capilar bajo la interacción de distintos materiales caracterizados por sus propiedades hidro-mecánicas, con el propósito de determinar la influencia de estas propiedades en el desarrollo y eficiencia de la barrera capilar durante el proceso de infiltración. Se implementó un modelo numérico acoplado de infiltración-deformación basado en la teoría de medios porosos. Inicialmente, se valida la capacidad del modelo para representar el proceso de infiltración y el fenómeno de la barrera capilar mediante la comparación de resultados experimentales en terraplenes reforzados con geosintéticos. Posteriormente, se realiza un análisis de influencia que consta de un análisis parámetrico, análisis estadístico y análisis de la ruptura de la barrera capilar a partir de las variaciones en las propiedades hidro-mecánicas y condiciones presentadas por los materiales a interactuar. Con base en los resultados, se muestra que tanto las propiedades hidráulicas como mecánicas de los materiales tienen influencia en la presencia, desarrollo y desempeño de la barrera capilar. En términos generales, la respuesta al proceso de infiltración dado por el elemento ubicado por debajo de la interfaz suelo-geotextil presenta un comportamiento súbito en el flujo de filtración posterior a la ruptura de la barrera capilar, reflejado por el incremento en las variables respuesta, tales como, el grado de saturación y desarrollo de presiones de poros. Las principales variaciones en el desempeño se obtuvieron con los parámetros dados por la relación de vacíos e0, succión inicial ψi y el parámetro de ajuste relacionado con la pendiente de la curva de retención de agua n. De manera que la variabilidad de estos factores puede jugar un papel importante en el desempeño del fenómeno hidráulico. Igualmente, la influencia del proceso de compactación fue evaluado mediante las variaciones en los parámetros hidro-mecánicos, tales como; la relación de vacíos inicial e0, modulo de rigidez G0 y relación de anisotropía de la permeabilidad kr, al considerar que el proceso de compactación puede afectar la respuesta hidráulica en la interfaz suelo-geotextil. Con el uso de modelos de inferencia estadística se logró determinar que los efectos inducidos por las propiedades hidro-mecánicas presentan diferencias estadisticamente significativas, consistente con lo observado en el análisis paramétrico. Resaltando la implementación del enfoque no paramétrico como alternativa viable en la determinación de diferencias estadísticas para variables de flujo en medios porosos. Los resultados de la prueba de Kruskal Wallis indican que las diferencias identificadas entre los grupos de los factores presenta mayor sensibilidad en términos de la presión de poros (Pw) en comparación con el grado de saturación (Sr). Finalmente, se desarrolló un análisis sobre el desempeño de la ruptura capilar considerando la interacción con distintos materiales de refuerzo. Los resultados muestra una mayor permanencia de la barrera capilar con las variaciones en el parámetro n en comparación con los tiempos de ruptura obtenidos con el parámetro α, acorde con la tendencia en el comportamiento descrito previamente sobre la influencia de los parámetros de ajuste de la curva de retención de agua en el fenómeno. A partir de los diferentes análisis empleados en la presente investigación se pudo determinar la influencia de las propiedades hidro-mecánicas en la eficiencia de la barrera capilar. Tomando relevancia en la selección de los materiales a emplear, al igual que establecer las condiciones propicias y susceptibilidad para el desarrollo del fenómeno. La evaluación de la barrera capilar mediante un modelo acoplado de infiltración-deformación pretende aportar en la implementación e incorporación del enfoque acoplado hidro-mecánico y la mecánica de suelos no-saturados en la Ingeniería practica.

ABSTRACT : Geosynthetics have become a sustainable alternative in environmental and economic issues, being used as a building material in geotechnical problems. One of the main applications has been in the construction of reinforced soil structures. The stability and functionality of these structures depend, in part, on the flow and drainage conditions generated at the interface of the materials used, considering that the interaction of different materials during the infiltration process under partially saturated conditions may lead to the presence of water retention mechanisms, such as the capillary barrier phenomenon, which generates a hydraulic boundary and a preferential flow around the soil-geotextile interface. Therefore, the study of the performance of soil structures reinforced with permeable geotextiles requires considering the presence and development of the capillary barrier under different conditions and materials used. A numerical analysis evaluated the performance of the capillary barrier under the interaction of different materials characterized by their hydro-mechanical properties to determine the influence of these properties on the development and efficiency of the capillary barrier during the infiltration process. A coupled numerical infiltration-deformation model based on porous media theory was implemented. Initially, the ability of the model to represent the infiltration process and the capillary barrier phenomenon is validated by comparing experimental results in reinforced embankments with geosynthetics. Subsequently, an influence analysis is carried out which consists of parametric analysis, statistical analysis, and analysis of the capillary barrier rupture from the variations in the hydro-mechanical properties and conditions presented by the materials to interact. Based on the results, it is shown that both the hydraulic and mechanical properties of the materials influence the presence, development, and performance of the capillary barrier. In general terms, the response of the infiltration process given by the element located below the soil-geotextile interface presents a sudden behavior in the filtration flow after the capillary barrier rupture, reflected by the increase in response variables, such as the degree of saturation and development of pore pressures. The main variations in performance were obtained with the parameters given by the void ratio e0, initial suction ψi and the adjustment parameter related to the slope of the water retention curve n. Hence the variability of these factors can play an important role in the performance of the hydraulic phenomenon. Similarly, the influence of the compaction process was evaluated by variations in hydro-mechanical parameters, such as; the initial void ratio e0, elastic shear modulus G0 and permeability anisotropy ratio kr, considering that the compaction process can affect the hydraulic response at the soil-geotextile interface. With the use of statistical inference models were achieved to determine that the effects induced by hydro-mechanical properties present statistically significant differences, consistent with what was observed in the parametric analysis. Highlighting the implementation of the nonparametric approach as a viable alternative in the determination of statistical differences for flow variables in porous media. The results of the Kruskal Wallis test indicate that the differences identified between factor groups are more sensitive in terms of pore pressure (Pw) compared to saturation (Sr). Finally, an analysis was performed about the performance of capillary rupture considering the interaction with different reinforcing materials. The results show a greater permanence of the capillary barrier with variations in the parameter n compared to the breakout times obtained with the parameter α, according to the tendency in the behavior described above on the influence of these variables on the phenomenon. From the different analyses used in this investigation, the influence of hydro-mechanical properties on the efficiency of the capillary barrier could be determined. Taking relevance in the selection of the materials to be used, as well as establishing the propitious conditions and susceptibility for the development of the phenomenon. The evaluation of the capillary barrier phenomenon using a coupled infiltration-model deformation aims to contribute to the implementation and incorporation of the hydro-mechanical coupled approach and the mechanics of unsaturated soils in practical engineering.