Estudio micromecánico de la superficie de fluencia de materiales granulares cementados

Nicolas Estrada, Alfredo Taboada, Arcesio Lizcano

In the proceedings of: GEO2011: 64th Canadian Geotechnical Conference, 14th Pan-American Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, 5th Pan-American Conference on Teaching and Learning of Geotechnical Engineering

Session: Other General

ABSTRACT: This article presents the results of an ongoing investigation on the mechanical response of cemented granular materials by means of Contact Dynamics simulations. The mechanical response is explored in terms of the yield surface and the plastic strains of numerical samples with different volume fractions. We find that both the yield surfaces and the plastic strain vectors can be parametrized by families of ellipses. For very loose materials, the yield surface tends to a circle centered in the origin of the p:q plane, and the flow rule is associated. Then, as the solid fraction increases, the yield surfaces grow, their eccentricity increases, and their flow rule becomes non-associated. Finally, in the limit case of a very dense material, the yield surface changes from an ellipse to a hyperbole whose asymptotes can be understood as the Coulomb envelope of a cohesive granular material. These results are reminiscent of previous experimental observations on structured soils and they support the choice of an elliptical yield surface, which is a frequent choice in the framework of elastoplasticity. 1 INTRODUCCION En estado natural es común encontrar geomateriales cementados (Leroueil & Vaughan 1990). Frecuentemente, esto se debe a la precipitación de un material cementante como la calcita, el óxido de hierro, etc. en los contactos entre partículas. Ejemplos de estos materiales son los suelos derivados de cenizas volcánicas, los loess y algunas rocas sedimentarias. El comportamiento mecánico de estos materiales difiere del observado en los geomateriales no cementados, para los cuales se desarrolló la mecánica de suelos clásica. Esta diferencia de comportamiento se debe al importante rol que juegan la cementación y la microestructura en la respuesta mecánica de los geomateriales cementados. El comportamiento mecánico de los materiales granulares cementados puede ser reproducido por varios modelos constitutivos (e.g., modelos elastoplasticos) desarrollados en el marco de la mecánica de medios continuos (para algunos ejemplos, ver Gens & Nova (1993), Vatsala et al. (2001) y Nova et al. (2003)). Implementados en un formalismo como los elementos finitos, estos modelos pueden ser de gran utilidad práctica. Sin embargo, una característica problemática de estos modelos constitutivos es que se basan en elementos conceptuales complejos (e.g., superficies de fluencia, potenciales plásticos, reglas de endurecimiento, etc.) que, por un lado, son difíciles de medir experimentalmente y, por otro lado, no pueden derivarse fácilmente a partir de parámetros más habituales y con significado físico más simple como la relación de vacíos y la anisotropía. El objetivo de este trabajo fue estudiar dos de estos elementos conceptuales: la superficie de fluencia y el potencial plástico, en un material granular cementado modelo (i.e., una simplificación del material real). Para abordar este objetivo se usó un método de elementos discretos llamado Dinámica de Contactos (Taboada et al. 2005, Radjai & Richefeu 2008) en el marco del cual se implementó un modelo de cohesión por cementación a la escala de los contactos. En la sección 2 se presentan brevemente el método numérico y el modelo de cohesión implementado. En la sección 3 se describen las muestras y el dispositivo

RESUMEN: Este artículo presenta los resultados parciales de una investigación sobre el comportamiento mecánico de materiales granulares cementados usando simulaciones con Dinámica de Contactos. El comportamiento mecánico de estos materiales es explorado en términos de la superficie de fluencia y las deformaciones plásticas para muestras numéricas con diferentes compacidades. Encontramos que tanto las superficies de fluencia como los vectores de deformación plástica pueden ser parametrizados por familias de elipses. Para materiales muy sueltos, la superficie de fluencia tiende a un círculo centrado en el origen del plano p:q y la regla de flujo es asociada. Luego, a medida que la compacidad aumenta, la superficie de fluencia crece, su excentricidad aumenta y la regla de flujo se vuelve no-asociada. Finalmente, en el caso límite de un material muy denso, la superficie de fluencia pasa de ser una elipse a ser una hipérbola cuyas asíntotas pueden ser entendidas como la envolvente de Coulomb para un material granular cohesivo. Estos resultados concuerdan con observaciones experimentales en suelos estructurados y soportan la elección de superficies de fluencia elípticas, la cual es una elección frecuente en marco de la elastoplasticidad.

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