El objetivo de este estudio fue comparar con precisión los datos experimentales obtenidos a partir de pruebas de compresión con simulaciones del comportamiento del suelo basadas en partículas. Gracias a un análisis de sensibilidad exhaustivo, los investigadores arrojaron luz sobre los efectos de varios parámetros de simulación y modelo en la precisión de los resultados de la simulación.
Los investigadores investigan cómo varios parámetros afectan la precisión de los resultados de la simulación, allanando el camino hacia mejores simulaciones de suelos en ingeniería geotécnica.
Una sólida comprensión de la mecánica y el comportamiento del suelo es uno de los pilares fundamentales de la ingeniería geotécnica. La estabilidad y la resiliencia de muchas estructuras geotécnicas modernas, incluidas las cimentaciones de edificios, las presas, los puentes y los terraplenes, dependen de un modelado adecuado basado en mediciones precisas de las propiedades del suelo.
En las últimas décadas, el crecimiento sin precedentes de la capacidad de procesamiento ha convertido las simulaciones numéricas del comportamiento del suelo en una herramienta atractiva para la ingeniería geotécnica. Al representar el suelo como un conjunto de partículas que interactúan, las simulaciones numéricas pueden ayudar a los investigadores a comprender el comportamiento complejo del suelo en diversas condiciones. Además, las simulaciones numéricas pueden ayudar a los ingenieros en el diseño, análisis y optimización de estructuras geotécnicas, garantizando su seguridad a largo plazo sin descuidar la rentabilidad.
Sin embargo, los métodos tradicionales para analizar la mecánica del suelo a veces no logran reproducir la naturaleza compleja del suelo. Esto es especialmente cierto en el caso del suelo en su estado rígido, donde las partículas están compactadas y entrelazadas, lo que da lugar a características típicas de los materiales sólidos, como la resistencia y la rigidez. Por lo tanto, existe una necesidad apremiante de mejorar las simulaciones numéricas del suelo en su estado rígido para complementar nuestra comprensión actual del suelo en su estado fluido.
En un estudio reciente publicado en el Civil Engineering Journal , un equipo de investigadores del Instituto de Tecnología de Shibaura, entre los que se encuentra el profesor Shinya Inazumi, se propuso abordar este desafío. Su trabajo se publicó en el volumen 10, número 1 de la revista en enero de 2024 y se puso a disposición en línea el 10 de febrero del mismo año.
Los investigadores se centraron en simulaciones numéricas realizadas utilizando el método semiimplícito de partículas móviles (MSP), que modela el movimiento de fluidos de un conjunto de partículas en interacción basándose en varios principios físicos. Su objetivo era aprovechar el método MSP para simular con precisión pruebas de compresión sin confinamiento en muestras de suelo de una manera que reflejara con precisión la naturaleza dual del suelo, que se describe mediante el modelo de biviscosidad de fluidos de Bingham. “Los modelos existentes tienen dificultades para representar con precisión el suelo cuando está en su estado rígido, donde los principios tradicionales de mecánica de fluidos no se aplican adecuadamente”, explica el profesor Inazumi.
Para ello, el equipo ajustó progresivamente sus simulaciones numéricas, mediante ensayo y error, para que coincidieran con precisión con los resultados de los experimentos de compresión realizados en muestras de arena y arcilla inalteradas. Al profundizar en las complejidades del proceso de simulación, este enfoque destacó los efectos de parámetros como la distancia entre partículas, el intervalo de tiempo inicial y la viscosidad plástica en la precisión y los costos computacionales de las simulaciones.
Además, también realizaron un análisis de sensibilidad exhaustivo de los parámetros de simulación que influyen en el modelo de biviscosidad del fluido de Bingham, como la resistencia a la fluencia y la deformación cortante crítica. “Los estudios anteriores a menudo pasaban por alto la interrelación entre los diferentes parámetros del suelo y su efecto colectivo en la precisión de la simulación”, comenta el profesor Inazumi. “Había una clara necesidad de un enfoque más holístico que no solo pudiera mejorar la precisión de la simulación, sino que también proporcionara un marco sólido para futuros estudios” .
Las conclusiones derivadas de estos análisis ayudarán a establecer metodologías fiables para simular el comportamiento de diferentes tipos de suelo. A su vez, esto conducirá a nuevos estándares de precisión de simulación en el campo de la ingeniería geotécnica, lo que tendría un impacto directo en muchas aplicaciones del mundo real. “Una mayor precisión de simulación a la hora de predecir el comportamiento del suelo bajo carga significa que los ingenieros pueden diseñar estructuras con una mejor comprensión de las condiciones del suelo; esto conduce no solo a una mayor seguridad, sino también a una mayor rentabilidad al minimizar la sobreingeniería ”, señala el profesor Inazumi.
Cabe destacar que una mejor comprensión del comportamiento del suelo adquirida mediante simulaciones permite el desarrollo de mejores modelos de predicción para la prevención de desastres y la mitigación de riesgos. Estos modelos son esenciales en áreas propensas a terremotos y deslizamientos de tierra, donde un diseño adecuado puede reducir en gran medida el riesgo de fallas catastróficas en las estructuras geotécnicas.
Además, este estudio podría tener implicaciones importantes en la ingeniería ambiental, la gestión del uso del suelo y la planificación urbana. “Un análisis preciso del suelo es fundamental para determinar la idoneidad del terreno para diversos fines, ya sea residencial, comercial o agrícola. Al comprender las características de tensión y deformación del suelo con mayor precisión, los planificadores y los desarrolladores pueden tomar decisiones más informadas, optimizando así el uso del suelo y reduciendo el impacto ambiental”, reflexiona el profesor Inazumi.
¡Esperemos que futuros estudios lleven las simulaciones de suelos aún más lejos para que la ingeniería geotécnica pueda romper nuevos límites!