Influencia de diferentes materiales de relleno en el rendimiento de la geocelda.

Jun 06, 2023

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 12330 (2023) Citar este artículo

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Este artículo presenta un estudio exhaustivo sobre el estudio numérico y paramétrico de lechos de suelo cohesivo reforzados con geoceldas, centrándose en diferentes materiales de relleno. Los cálculos numéricos se validaron con los resultados de las pruebas del modelo utilizando el software FLAC3D. Posteriormente, el modelo verificado se amplió a los lechos de suelo cohesivo reforzados con geoceldas. Se simularon seis casos para investigar el desempeño reforzado, incluidas las respuestas de presión-asentamiento, el factor de mejora de la capacidad de carga, el porcentaje de reducción del asentamiento y la deformación de la superficie. Los hallazgos numéricos enfatizan que la importancia del refuerzo superior de las geoceldas no debería eclipsar la consideración de las propiedades mecánicas del relleno del suelo. En el caso del suelo cohesivo como material de relleno, la escasa mejora en el rendimiento de las geoceldas reforzadas puede atribuirse a su bajo módulo y cohesión. Los estudios paramétricos sugieren que las geoceldas impactan significativamente el rendimiento del refuerzo cuando el material de relleno consiste en suelo de cimentación con un módulo más alto y una cohesión más baja. Además, según este estudio numérico, el suelo sin cohesión con un módulo de 20 MPa y una fricción de 40° es el suelo de relleno óptimo en bolsas para reforzar lechos de suelo cohesivo.

Las geoceldas tienen una geometría plegable y en forma de panal, que puede mejorar la cohesión aparente del suelo debido al sistema de limitación lateral (LL) tridimensional. Las bolsas de la estructura de geocelda se llenan con materiales granulares, que luego se compactan para crear una capa compuesta reforzada. Debido al excelente rendimiento reforzado y a su economía, las geoceldas se han aplicado ampliamente en ingeniería geotécnica1,2,3,4,5,6,7,8. Las geoceldas aumentan la cohesión del suelo mientras mantienen la fricción al proporcionar LL a través de sus paredes verticales. Además del efecto LL proporcionado por las geoceldas, se observan otros dos efectos reforzados bajo carga estática: la dispersión de tensiones verticales y el mecanismo de membrana9. Además, las geoceldas pueden aislar las vibraciones y disminuir la tensión dinámica bajo cargas dinámicas9,10,11,12.

Las pruebas de carga de placas modelo se utilizan ampliamente para evaluar la capacidad de carga de los lechos de suelo reforzados con geoceldas. Dash et al.13,14 realizaron una prueba de modelo de laboratorio para estudiar la mejora de la capacidad de carga de zapatas planas apoyadas sobre arena reforzada con geoceldas con respecto a las curvas de presión-asentamiento, los factores de mejora de la capacidad de carga y el asentamiento/elevación de la superficie. Al analizar algunos parámetros, incluido el tamaño y el módulo de las geoceldas, la profundidad del colchón de geoceldas y la densidad relativa de la arena, el autor afirmó que la parte superior del colchón de geoceldas debe estar a una profundidad de 0,1 veces el ancho de la zapata para obtener el Máximo rendimiento reforzado. Después de esta investigación, estudios posteriores de Ujjawal et al.11, Hegde y Sitharam15, Hegde y Sitharam16, Hegde y Sitharam17, Hegde y Sitharam18, Venkateswarlu et al.19 adoptaron esta profundidad enterrada de colchón de geoceldas para estudiar el comportamiento de lechos de suelo reforzado. basado en pruebas de modelo o sitio. Históricamente, los investigadores se han centrado principalmente en mejorar la capacidad de carga de las camas reforzadas con geoceldas20,21, la distribución de carga de los colchones de geoceldas22 y el aislamiento de vibraciones11,12. Estos hallazgos de investigación han influido en gran medida en la aplicación de geoceldas en ingeniería geotécnica y de subrasante. Además, en lo que respecta a la tecnología numérica, muchos investigadores han aceptado estudiar el comportamiento de lechos de suelo reforzados con geoceldas. Ujjawal et al.11, Hegde y Sitharam23, Latha y Somwanshi24 emplearon el enfoque compuesto equivalente (ECA) para simular la capa compuesta de geoceldas y suelo. Sin embargo, a medida que avanzan las técnicas de modelado, se ha vuelto más prominente el uso de modelos 3D reales para simular la interacción geocelda-suelo. Han et al.25 y Latha y Somwanshi24 adoptaron el patrón de diamante para simular la forma de la geocelda. Además, Leshchinsky y Ling26, Biabani et al.27, Ngo et al.28, Siabil et al.29 utilizaron el patrón cuadrado y hexagonal para calcular. La forma de panal (forma real) también fue adoptada en los últimos años17,19,30. En general, emplear la forma real de las geoceldas en modelos numéricos puede representar con precisión el comportamiento de los lechos de suelo reforzados con geoceldas, incluida la respuesta de presión-asentamiento y el asentamiento/elevación de la superficie. El software numérico permite el cálculo eficiente de varios casos ajustando parámetros, lo que permite la visualización directa de mecanismos reforzados y distribuciones de tensión a través de contornos de tensión y desplazamiento.

Con respecto a los materiales de relleno utilizados en las bolsas de geoceldas, el suelo sin cohesión se utiliza predominantemente en la ingeniería reforzada con geoceldas tanto para arena reforzada con geoceldas como para lechos de suelo cohesivo3,20,22,31,32,33. Los resultados experimentales de Biswas et al.34 demostraron que el relleno del suelo era el parámetro crítico que afectaba el comportamiento del refuerzo. Además, Sireesh et al.32 afirmaron que las geoceldas llenas de suelo denso eran beneficiosas para mejorar la capacidad de carga. Hegde y Sitharam35 compararon el desempeño de tres materiales de relleno: tierra roja local, arena y agregados. La capacidad de carga de los lechos reforzados con geoceldas aumentó trece veces para el relleno de agregados, once veces para el relleno de arena y diez veces para el relleno de suelo rojo, lo que indica la influencia mínima de los materiales de relleno en el rendimiento de las geoceldas. De hecho, las propiedades mecánicas del relleno de suelo, más que el tipo específico de suelo, juegan un papel crucial. Además de la arena, se han utilizado otros materiales como arena limosa, escoria, agregados, suelo blando, arcilla, mezclas de caucho y suelo y materiales de pavimento asfáltico reciclado como materiales de relleno en pruebas modelo realizadas por Sitharam y Sireesh36, Thallak et al. .37, Krishnaswamy et al.38, Thakur et al.39, Mehrjardi et al.40, Pokharel41, Venkateswarlu y Hegde42. Los resultados de esta investigación demuestran que tanto los suelos cohesivos como los no cohesivos pueden servir como materiales de relleno adecuados para lechos de suelo reforzados con geoceldas, ofreciendo un excelente rendimiento de refuerzo. Según Bahadir et al.43, los materiales de construcción y demolición también pueden considerarse materiales de relleno alternativos a los áridos vírgenes. En el caso de lechos de suelo cohesivo reforzados con geoceldas, normalmente hay tres opciones disponibles para el relleno de suelo: (1) suelo sin cohesión, (2) suelo cohesivo con propiedades mecánicas superiores y (3) suelo cohesivo idéntico a los lechos de suelo existentes. La Opción 1 y la Opción 2 mejoran el rendimiento de los lechos de suelo reforzado, mientras que la Opción 3 reduce potencialmente los costos de transporte ya que no es necesario traer tierra de otras áreas. Sin embargo, considerando estas tres opciones, se han realizado investigaciones limitadas sobre la influencia del módulo y la resistencia al corte del relleno de suelo en el desempeño del refuerzo. Los resultados experimentales de Bahadir et al.43 también sugirieron que los materiales de construcción y demolición también pueden usarse como material de relleno alternativo a los agregados vírgenes. Con respecto a los lechos de suelo cohesivo reforzados con geoceldas, generalmente se pueden seleccionar tres opciones de relleno de suelo: (1) suelo sin cohesión; (2) suelo cohesivo con propiedades mecánicas superiores; (3) suelo cohesivo al igual que los lechos de tierra. La Opción 1 y la Opción 2 pueden beneficiar el desempeño de los lechos de suelo reforzado, mientras que la Opción 3 probablemente ahorra muchos costos, es decir, las personas no necesitan transportar el suelo desde otras áreas. Sin embargo, basándose en las tres opciones, pocos investigadores estudiaron la influencia del módulo y la resistencia al corte del relleno del suelo en el rendimiento del refuerzo.

El estudio tuvo como objetivo examinar el rendimiento de lechos de suelo cohesivo reforzados con geoceldas con varios materiales de relleno para maximizar la contribución del relleno del suelo y determinar los parámetros mecánicos adecuados. Inicialmente, los lechos de suelo reforzados con geoceldas se modelaron utilizando el paquete explícito de diferencias finitas FLAC3D, y los resultados se compararon con los obtenidos de una prueba de modelo de laboratorio a la que se hace referencia en la literatura. Posteriormente, el modelo validado se extendió a lechos de suelo cohesivo reforzados con geoceldas para analizar el impacto de los parámetros mecánicos en la capacidad de carga. El análisis incluyó las respuestas de presión-asentamiento, el factor de mejora de la capacidad de carga (\(I_{f}\)) y el porcentaje de reducción del asentamiento (PRS). Como se mencionó anteriormente, se realizaron estudios numéricos utilizando la Opción 1 y la Opción 3 para simular escenarios reales de ingeniería de subrasante o cimientos de manera más efectiva. En particular, también se utilizó un cojín de arena/agregado para determinar la proporción de la contribución de la geocelda al refuerzo. Por último, se realizó un estudio de parámetros para determinar los parámetros mecánicos apropiados para el relleno de suelo.

La validación de los modelos reforzados con geoceldas se realizó simulando las pruebas del modelo realizadas por Latha y Somwanshi24, y la respuesta de presión-asentamiento de los modelos se comparó con los datos experimentales. Latha y Somwanshi24 realizaron pruebas de carga de modelos de laboratorio sobre bases cuadradas (25 mm de espesor y tamaño de 150 × 150 mm) sostenidas sobre lechos de arena reforzados con geoceldas. La geocelda utilizada tenía un patrón de rombos y se construyó utilizando geomalla biaxial (polipropileno) y geored (polietileno de alta densidad). En las simulaciones numéricas se adoptó el enfoque compuesto equivalente (ECA) para comparar los resultados con los obtenidos experimentalmente. Sin embargo, en los últimos años, los investigadores han considerado cada vez más modelos que replican la forma real de las geoceldas. Por lo tanto, este estudio utilizó el elemento de estructura de geomalla disponible en FLAC3D para simular las geoceldas con patrón de diamante construidas utilizando geomallas biaxiales. La capa reforzada con geoceldas se preparó utilizando la siguiente combinación de parámetros: \(u/B = 0,05\), \(d/B = 0,55\), \(b/B = 6\), \(h/B = 0,6 \) para que coincida con la ubicación experimental. Aquí, \(u\), \(d\), \(b\), \(h\) y \(B\) representan la profundidad de colocación de la capa de geoceldas, el diámetro de bolsillo equivalente y el ancho del colchón de geoceldas. , altura de la geocelda y ancho de la zapata, respectivamente. En particular, el elemento de estructura de geomalla en FLAC3D ofrece un mecanismo esencial conocido como comportamiento de corte de la interfaz. La relación de corte de la interfaz entre la geocelda y los materiales de relleno se consideró lineal con el criterio de falla de Mohr-Coulomb11. El parámetro del módulo de corte de la interfaz se calculó siguiendo el trabajo de Yang et al.44. Además, la cohesión y la fricción de la interfaz se determinaron según Oliaei y Kouzegaran45.

donde \(\upvarphi\) y \({\text{c}}\) son el ángulo de fricción y la fuerza de cohesión del relleno del suelo, respectivamente. Además, se reconoce que en estructuras reforzadas con geoceldas, la deformación máxima de la geocelda es inferior al 1% o 2%46,47. Hegde y Sitharam16 utilizaron el módulo secante correspondiente a la deformación axial del 2% de las geoceldas para obtener el módulo joven. Dentro de un rango de deformación tan pequeño, la geocelda puede considerarse elástica. Por lo tanto, se utilizaron los modelos elástico lineal y constitutivo de Mohr-Coulomb para simular el comportamiento de las geoceldas y el suelo (incluidos los materiales de relleno y el lecho de suelo debajo de la capa reforzada con geoceldas), respectivamente. Se determinó que el módulo del polipropileno era 1GPa mediante cálculo inverso en esta simulación numérica debido a la excelente propiedad de tracción del polipropileno48. Las propiedades del suelo se obtuvieron de los estudios de Latha y Somwanshi24. Los valores específicos se proporcionan en la Tabla 1. Además, se modeló una cuarta parte para reducir el esfuerzo computacional. El modelo de tamaño cuartosimétrico fue de 0,45 m × 0,45 m × 0,6 m. Se observó que la respuesta de presión-asentamiento está relacionada con el mayor número de zonas. El cambio en las curvas de presión-asentamiento se encontró insignificante cuando el número de zonas superaba las 15.000. Por lo tanto, finalmente se consideró el número de zonas 18.522 para simular los lechos de suelo no reforzados y reforzados con geoceldas. La Figura 1 muestra la vista del modelo FLAC3D para los suelos reforzados con geoceldas con patrón de diamante. El desplazamiento del fondo, que representa el fondo del tanque, estaba restringido en las tres direcciones, mientras que los cuatro límites laterales, que simbolizan los lados del tanque, estaban restringidos únicamente en la dirección normal, permitiendo el desplazamiento en la dirección vertical. Para simular la rugosidad de la zapata, se aplicó resistencia lateral a los puntos de la grilla correspondientes al área de la zapata. En el análisis, el área de carga se mantuvo consistente con la prueba del modelo y se implementó una carga de velocidad controlada de 1e-6 m/paso. El desplazamiento vertical se aumentó gradualmente para inducir un valor predeterminado de asentamiento de la zapata.

Geometría del modelo FLAC3D para análisis de validación.

La Figura 2 muestra la comparación de resultados numéricos y resultados experimentales. Según la figura, las cuatro curvas, incluidos los resultados experimentales y numéricos, casi se superponen. Con respecto al caso de la geocelda reforzada, se puede concluir que utilizar la forma real de la geocelda en la simulación es lo suficientemente preciso. Y la respuesta de asentamiento de presión en el caso de geoceldas reforzadas y no reforzadas se puede simular con éxito en modelos FLAC3D con o sin el elemento de estructura que simula geoceldas. Gedela y Karpurapu3, Venkateswarlu y Hegde49 también utilizaron FLAC3D para simular los lechos de suelo reforzados con geoceldas.

Relación de curvas de presión-asentamiento de la validación y resultados.

En este estudio, el modelo verificado que se muestra en la Sección “Validación del cálculo numérico” se amplió al modelo de lechos de suelo cohesivos reforzados con geoceldas. Este enfoque se alinea con la metodología empleada por Oliaei y Kouzegaran45. Sólo se cambiaron las geoceldas en forma de panal y el suelo cohesivo para simular la ingeniería real ubicada en un área estacionalmente helada en Harbin, provincia de Heilongjiang, China. El suelo cohesivo utilizado en este estudio se tomó de aquí. Es importante señalar que las dimensiones del modelo, el tamaño de la base, las condiciones de carga, las condiciones de contorno, el modelo constitutivo y los parámetros de la interfaz geocelda-suelo se mantuvieron consistentes con el modelo inicial para garantizar un análisis completo y confiable.

Como se describe en la sección "Introducción", normalmente hay tres opciones disponibles para seleccionar. Sin embargo, en este estudio, solo se eligieron la Opción 1 y la Opción 3 para examinar y comparar el impacto del relleno de suelo en el desempeño del refuerzo. La Tabla 2 ilustra los escenarios para los casos reforzado y no reforzado, considerando diversas condiciones de relleno del suelo dentro de las bolsas de geoceldas. Es importante enfatizar que el cojín de arena/agregado también se incorporó para cuantificar la proporción del aporte de la geocelda al refuerzo general.

Las propiedades físicas fundamentales del suelo cohesivo y la distribución del tamaño de las partículas se presentan en la Tabla 3 y la Fig. 3, respectivamente. Con base en estas propiedades, el suelo se clasificó como arcilloso de bajo límite líquido. Además, se consideraron las propiedades del suelo sometidas a múltiples ciclos de congelación y descongelación para simular la ingeniería reforzada a largo plazo. Los resultados de las pruebas de Lu et al.50 demostraron que las propiedades del suelo sometido al ciclo de congelación-descongelación con respuesta de agua estaban más cerca de la ingeniería real en el área del suelo estacionalmente congelado. Por lo tanto, las muestras de suelo con una compactación inicial del 95% y un contenido de agua del 20,2% (el contenido de agua óptimo) sometidas a diez ciclos de hielo-deshielo se utilizaron en los ensayos de compresión triaxial no consolidados no drenados para obtener el módulo elástico (módulo tangente inicial ), cohesión y fricción utilizadas en cálculos numéricos. Las pruebas y resultados detallados se muestran en Lu et al.50, Xian et al.51. Las pruebas triaxiales se realizaron bajo tres presiones de confinamiento diferentes: 50 kPa, 100 kPa y 150 kPa, con una tasa de deformación del 0,5%/min. El módulo elástico se determinó a partir de la curva tensión-deformación correspondiente a una presión de confinamiento de 50 kPa para reflejar con precisión las condiciones de baja presión lateral que normalmente se encuentran en las estructuras reforzadas en el sitio y para garantizar simulaciones numéricas mejoradas. Respecto a la arena o agregado utilizado en este estudio, los parámetros mecánicos se remitieron a los estudios de Hegde y Sitharam52. Sin embargo, la dilatación no se mostró en su artículo. Por lo tanto, en el presente estudio, el ángulo de dilatación se tomó como 2/3 de la fricción, como lo sugirieron investigadores anteriores para estudios similares que utilizaron FLAC3D24,53,54. Para las geoceldas, en este estudio numérico se simuló una geocelda de polietileno de alta densidad en forma de panal mediante el elemento de geomalla (constitutivo elástico lineal). La capa reforzada con geoceldas utiliza la siguiente combinación de parámetros, \(u/B = 0.1\), \(d/B = 1.14\), \(b/B = 6.0\), \(h/B = 1.0\ ). El módulo de geocelda se adoptó en 200 MPa haciendo referencia al estudio numérico de Yang et al.44. Las propiedades detalladas de los suelos y geoceldas utilizadas en las simulaciones numéricas se representan en la Tabla 4. El diagrama esquemático y el modelo numérico de geometría de un cuarto de simetría se muestran en las Figs. 4 y 5, respectivamente.

Distribución del tamaño de partículas de suelo cohesivo50.

Diagrama esquemático de simulación numérica.

Geometría del modelo FLAC3D para análisis: (a) modelo de estructura de geocelda; (b) modelo de lecho de suelo cohesivo reforzado con geoceldas.

En esta sección, se utilizaron las curvas de presión-asentamiento, el factor de mejora de la capacidad de carga (\(I_{f}\)), el porcentaje de reducción del asentamiento (PRS) y la deformación de la superficie para analizar el desempeño de las geoceldas reforzadas con diferentes materiales. .

La Figura 6 muestra las curvas de presión-asentamiento para diferentes casos reforzados. Se observa que la capacidad de carga de los lechos reforzados con geoceldas, independientemente del material de relleno empleado, supera la de los lechos no reforzados, lo que destaca la eficacia del refuerzo de geoceldas. Las respuestas de presión-asentamiento de las curvas GRCS, GRS y GRA demuestran que el relleno de suelo de las bolsas de geoceldas influye significativamente en la capacidad de carga y el rendimiento del refuerzo. El caso de GRA muestra la mayor capacidad de carga, el caso de GRS es el segundo y el caso de GRCS es el tercero. Sin embargo, los resultados subrayan que los suelos cohesivos proporcionan una mejora relativamente mínima en términos de capacidad de carga. Hegde y Sitharam35 afirmaron que el suelo rojo indio podría aumentar diez veces la capacidad de carga y disminuir el asentamiento en un 70%. La mejora limitada en el rendimiento de las geoceldas reforzadas observada en este estudio puede atribuirse al bajo módulo y cohesión del suelo. Específicamente, las débiles propiedades mecánicas del suelo cohesivo, como su bajo módulo y cohesión, contribuyen a la mejora relativamente modesta en la capacidad de carga lograda mediante el refuerzo de geoceldas. En cuanto a los casos SC y AC, la capacidad de carga del caso GRCS se encuentra entre los dos casos. Esto sugiere que un colchón de arena/agregado es más efectivo que usar tierra de cimentación como material de relleno en métodos reforzados con geoceldas, particularmente bajo ciertas condiciones. Es importante señalar que el suelo reforzado con geoceldas exhibe una capacidad de carga más débil que el cojín de agregado cuando el material de relleno se caracteriza por una baja resistencia al corte. Además, al comparar el caso GRS con el caso SC (o el caso GRA con el caso AC), la influencia del módulo y la fricción de la arena se hace evidente en el proceso de refuerzo. Es fundamental evitar exagerar el rendimiento excepcional del refuerzo de las geoceldas y descuidar el importante papel que desempeña la elección del relleno del suelo.

Curvas de presión versus asentamiento bajo diferentes casos.

La Figura 7 muestra los diagramas de contorno que representan la distribución de las tensiones verticales debajo de la zapata tanto para el caso GRA como para el no reforzado. Estos contornos de tensión corresponden a un asentamiento de la zapata del 40% del ancho de la zapata (S/B). En el lecho no reforzado se observa una distribución uniforme de las tensiones verticales que se extienden hasta una profundidad significativa. Sin embargo, las tensiones verticales se transfieren a una profundidad menor en el caso GRA en comparación con el caso no reforzado. Esta transferencia se puede atribuir al confinamiento lateral que proporcionan las paredes de las geoceldas, lo que limita la dispersión de tensiones. Hegde y Sitharam16 también hicieron observaciones similares. Además, Gedela y Karpurapu20 afirmaron que el bulbo de presión significativa se extiende de 1,5 a 2,5 veces el ancho de la zapata debajo del área de carga y a ambos lados, respectivamente. Además, sólo se notan pequeños contornos de tensión vertical que llegan a la cara inferior del modelo, lo que indica que el límite tiene poca influencia en los resultados.

Los contornos de tensiones verticales de los casos GRA y no reforzados: (a) Caso de no reforzado; (b) Caso GRA.

Tafreshi y Dawson55, y Dash et al.13, etc., utilizaron el factor de mejora de la capacidad de carga (\(I_{f}\)) para evaluar la mejora en la capacidad de carga con geoceldas o refuerzo de cojín de arena/agregado. \(I_{f}\) es un parámetro adimensional, que se define como,

donde \(q_{r}\) y \(q_{0}\) son la capacidad de carga de los lechos de suelo reforzados y no reforzados con geoceldas en un asentamiento determinado, respectivamente. Tafreshi y Dawson55 describieron una explicación detallada de \(I_{f}\). En este estudio, se seleccionó \(\it S/B\)S/B al 5%, 10%, 20%, 25%, 30% y 35% para calcular el valor de \(I_{f}\) .

La Figura 8 ilustra la variación del factor de mejora de la capacidad portante (\(I_{f}\)) con respecto al asentamiento de la zapata. Los resultados indican que en los casos reforzados con geoceldas, los valores de \(I_{f}\) aumentan a medida que aumenta el asentamiento de la zapata, lo que indica que la magnitud del asentamiento de la zapata influye fuertemente en el desempeño del refuerzo. Además, al comparar los casos GRA y AC (o los casos GRS y SC), la importancia del refuerzo de geoceldas se vuelve más prominente con niveles más altos de asentamiento de zapatas. Por ejemplo, en el caso GRA, en comparación con el caso AC, el valor \(I_{f}\) aumenta en un 41,3% cuando la relación asentamiento de la zapata a ancho de la zapata (S/B) es del 5%, y aumenta en un 175,6 % cuando el S/B es del 35%. Las geoceldas mejoran principalmente la capacidad de carga cuando sus paredes restringen el desplazamiento lateral. Como resultado, cuando el asentamiento vertical de la zapata es significativo, el relleno de suelo y las geoceldas tienden a expandirse en la dirección lateral, lo que lleva a una mayor deformación circunferencial y un mejor rendimiento del refuerzo de las geoceldas. En esencia, la deformación movilizada en las paredes de las geoceldas permite importantes mecanismos de refuerzo de las geoceldas.

Variación de los factores de mejora de la capacidad portante con el asentamiento de la zapata.

Los materiales de relleno utilizados en el refuerzo de las geoceldas tienen un impacto significativo en el rendimiento general. Diferentes materiales de relleno pueden alterar el desempeño reforzado de los lechos de suelo. En los casos en los que se utilizan cojines de suelo sin cohesión (casos SC y AC), la contribución a los lechos de suelo permanece constante independientemente del asentamiento de la zapata. Esto distingue a las geoceldas de otros métodos de tratamiento. Por lo tanto, al diseñar el refuerzo de geoceldas, es fundamental considerar las propiedades mecánicas del material de relleno elegido.

PRS es un parámetro adimensional que ilustra el desempeño de los lechos reforzados con geoceldas55. PRS se define de la siguiente manera,

donde \(S_{r}\) es el asentamiento del lecho reforzado con geoceldas a una presión de soporte dada correspondiente a \(S_{0}\) (el asentamiento del lecho no reforzado). La Figura 9 muestra la variación del valor del PRS con el asentamiento de la zapata. Los valores de PRS aumentan de forma no lineal con el aumento del asentamiento de la zapata y tienden a ser estables para todos los casos de refuerzo. En términos de valores de PRS, el desempeño reforzado del caso GRCS es el más débil, los casos SC y AC se encuentran en la posición de moderado, y GRA y GRS muestran el desempeño mejor reforzado.

Variación de PRS con asentamiento de zapata.

Los casos AC y GRA también arrojan valores PRS similares, lo que indica que simplemente emplear un colchón de suelo sin cohesión sin refuerzo de geoceldas puede reducir significativamente el asentamiento. Sin embargo, esta respuesta se observa principalmente en condiciones de asentamientos reducidos. Como se analizó en la sección "Factor de mejora de la capacidad de carga", una deformación movilizada suficiente en las paredes de las geoceldas es fundamental para promover el efecto LL. En esta sección, incluso cuando el asentamiento de la zapata excede el 35%, la presión de la zapata correspondiente para el caso no reforzado permanece alrededor de 100 kPa, insuficiente para inducir un desplazamiento lateral significativo en las geoceldas. Por lo tanto, en este escenario, el relleno de suelo en las bolsas de geoceldas, en lugar de las geoceldas mismas, contribuye principalmente al desempeño reforzado. Además, cabe destacar que con una relación S/B del 10%, el caso GRA aumenta un 9,8% en comparación con el caso AC, mientras que el caso GRS muestra una tasa de crecimiento del 30,7% en comparación con el caso SC. Esta discrepancia sugiere que las propiedades mecánicas más débiles del suelo sin cohesión pueden hacer que la geocelda desempeñe un papel mucho más significativo en los valores de PRS.

Muchos resultados experimentales demostraron que la superficie alrededor de la base del lecho no reforzado podría elevarse, mientras que las geoceldas pueden restringir este comportamiento23. El punto de seguimiento en la superficie alrededor de la zapata se ilustra en la Fig. 4. La Figura 10 presenta la variación de la deformación de la superficie con el asentamiento de la zapata para diferentes casos. Se observa que hay un evidente levantamiento de la superficie alrededor de la zapata para los casos SC y AC, en comparación con la respuesta del caso no reforzado. Esto puede atribuirse a la falta de cohesión de la arena o los agregados, un factor crítico que contribuye a un levantamiento significativo del colchón de arena. Sin embargo, la presencia de geoceldas reduce la magnitud del levantamiento, como se muestra en la Fig. 11. En el lecho de suelo no reforzado, se observa levantamiento de la superficie, mientras que la presencia de geoceldas en los casos GRCS y GRA ayuda a restringir el levantamiento de la superficie. Curiosamente, en el caso de GRS, la naturaleza innata de la arena en sí, que es más propensa a levantarse en la superficie, puede contribuir al mayor levantamiento observado en comparación con la respuesta de los casos no reforzados. Además, las propiedades mecánicas más bajas de la arena que los agregados también juegan un papel importante. Además, una menor compactación en casos reforzados con geoceldas con suelos sin cohesión como materiales de relleno también puede provocar levantamientos de la superficie.

Variación del asentamiento superficial con asentamiento de zapatas.

La variación detallada del asentamiento superficial con el asentamiento de zapatas.

El estudio paramétrico investiga la influencia de las propiedades mecánicas del relleno del suelo en el rendimiento de lechos de suelo cohesivos reforzados con geoceldas. El modelo calculado presentado en la Sección “Análisis numérico de lechos de suelo cohesivo reforzados con geoceldas” fue el modelo de referencia para los estudios paramétricos de seguimiento. Solo se consideró un parámetro como variable mientras que los demás eran constantes, investigando el efecto de un parámetro sobre el desempeño reforzado en términos de los valores \(I_{f}\) y PRS de \(S/B = 10\). %\). Debido a que la arena y los agregados pertenecen al suelo sin cohesión, en esta sección solo se seleccionó la arena (colchón de arena y arena como material de relleno). El esquema específico del estudio paramétrico se presenta en la Tabla 5. Según el estudio del efecto del módulo y la cohesión del suelo de cimentación (suelo cohesivo) sobre el rendimiento del refuerzo, se analiza la idoneidad del suelo de cimentación (suelo cohesivo) como material de relleno. Además, se puede concluir cuál (arena o geocelda) es el factor principal que influye en el desempeño del refuerzo a partir del estudio de la influencia del módulo de arena y la fricción en el desempeño del refuerzo.

En el presente estudio, el módulo de relleno de suelo cohesivo cambió con los suelos de cimentación, simulando el uso del mismo suelo de cimentación local para llenar las bolsas de geoceldas. Además, los valores de \(I_{f}\) y PRS se determinaron con base en el caso no reforzado, en el que el módulo cambió, como se muestra en la Tabla 5, en lugar del módulo del modelo de referencia. El módulo del suelo de cimentación se varió a 0,5 MPa, 1 MPa, 2 MPa, 3 MPa y 4 MPa. Las Figuras 12 y 13 muestran variaciones de \({\text{I}}_{f}\) y PRS con el módulo del suelo de cimentación. En la Fig. 12, los valores de \({\text{I}}_{f}\) aumentan ligeramente, incluso casi se mantienen horizontales, con el aumento del módulo del suelo de cimentación independientemente de los materiales de relleno. Sin embargo, disminuye obviamente y tiende a estabilizarse con el cambio de módulo para el caso SC. El aumento del módulo del suelo de cimentación hace que la diferencia entre el suelo de cimentación y el colchón de arena se cierre gradualmente, lo que conduce a la disminución de \({\text{I}}_{f}\). En la Fig. 13, los resultados numéricos para PRS se alinean con la descripción mencionada anteriormente. Los valores de PRS casi se mantienen constantes para el caso SC, mientras que los valores de los casos GRCS y GRS aumentan gradualmente. Además, el crecimiento del caso GRCS es mayor que el caso GRS debido al aumento del módulo del suelo de cimentación. Combinado con las Figs. 12 y 13, el uso de los suelos de cimentación como materiales de relleno para el lecho de suelo cohesivo reforzado con geoceldas contribuye poco a la capacidad de carga, pero beneficia al disminuir el asentamiento de la cimentación.

Variación de \({\text{I}}_{f}\) con el módulo del suelo de cimentación.

Variación del PRS con el módulo del suelo de cimentación.

Las Figuras 14 y 15 muestran la variación de \({\text{I}}_{f}\) y PRS con la cohesión del suelo de cimentación, respectivamente. En este estudio numérico, la cohesión de la interfaz de la geocelda se cambió con la cohesión del suelo de cimentación para el caso GRCS. En las Figs. 14 y 15, los valores de \({\text{I}}_{f}\) y PRS de los casos SC y GRS disminuyen paralelamente con el aumento del módulo del suelo de cimentación, lo que indica que la capa reforzada con geoceldas y el colchón de arena benefician poco al cimientos o subrasantes de alta capacidad de carga. El aumento de la cohesión del suelo de cimentación contribuye al aumento de la capacidad de carga, lo que provoca que los valores de \({\text{I}}_{f}\) y PRS disminuyan debido a que las propiedades mecánicas de la geocelda y la arena se mantienen iguales. En términos del caso de GRCS, los valores disminuyen ligeramente y casi se mantienen lineales, lo que sugiere que la cohesión del suelo tiene poca mejora en los lechos de suelo cohesivos reforzados con geoceldas. Se observa que, para tres puntos en la Fig. 14, el valor de \({\text{I}}_{f}\) del caso SC es menor que cero, lo que demuestra que usar el cojín de arena para tratar los lechos de tierra No es necesario para lechos de suelo cohesivo con alta capacidad de carga. Es por eso que no existe una curva continua del valor PRS para el caso SC en la Fig. 15.

Variación de \({\text{I}}_{f}\) con la cohesión del suelo de cimentación.

Variación del PRS con la cohesión del suelo de cimentación.

Las Figuras 12, 13, 14, 15 demuestran que los suelos de cimentación se pueden utilizar como materiales de relleno. Sin embargo, este enfoque proporciona una mejora limitada a la capacidad de carga al tiempo que reduce el asentamiento de la zapata. Por tanto, en el caso de GRCS, el material de relleno más adecuado es suelo cohesivo con mayor módulo y menor cohesión. Además, es posible que el suelo cohesivo no sea la opción óptima para el material de relleno en comparación con el suelo no cohesivo.

Esta sección analiza el impacto de diferentes módulos de arena en el rendimiento del reforzado. El caso GRCS no se incluye en el análisis ya que las propiedades mecánicas del suelo de cimentación permanecen sin cambios. Las Figuras 16 y 17 presentan las variaciones de \({\text{I}}_{f}\) y PRS, respectivamente, con respecto al módulo de arena. En el caso SC, los valores de \({\text{I}}_{f}\) varían de 1,2 a 1,6, lo que indica que el módulo del colchón de arena tiene una influencia mínima en la capacidad de carga. Sin embargo, vale la pena señalar que el colchón de arena sobre los cimientos reduce efectivamente el asentamiento de la zapata sin mejorar significativamente la capacidad de carga, como se ilustra en la Fig. 17. En contraste, para el caso GRS, ambos \({\text{I}} _{f}\) y PRS exhiben un patrón similar de aumento no lineal seguido de estabilización con un módulo de arena creciente. Un módulo de arena de relleno más alto contribuye a mejorar la capacidad de carga y reducir el asentamiento de la zapata.

Variación de \({\text{I}}_{f}\) con el módulo de arena.

Variación de PRS con el módulo de arena.

En resumen, el aumento del módulo de arena beneficia el desempeño de los lechos cohesivos tratados, para los casos SC o GRS. De ahí que para distinguir el papel de las arenas propias y de las geoceldas se debe calcular el porcentaje de aporte de cada una. Por ejemplo, cuando el módulo de la arena es 5 MPa, el \({\text{I}}_{f}\) para los casos SC y GRS es 1,20 y 2,33. El valor de (1,2–1,0)/(2,33–1,0) = 15,0% representa la contribución de los materiales de relleno (arena) en el refuerzo de geoceldas para el caso de GRS. Además, la contribución de las geoceldas es del 1 al 15,0 % = 85,0 %. Este método presenta el porcentaje detallado en las Tablas 6 y 7. Se observa que el aporte de las geoceldas disminuye con un aumento en el módulo de arena. Esto indica que un módulo de arena más alto puede mejorar el rendimiento del refuerzo, pero debilita la eficacia de las geoceldas. Al integrar la información de las Fig. 16 y 17, se puede concluir que un módulo de arena de 20 MPa es la opción óptima.

Las Figuras 18 y 19, respectivamente, muestran las variaciones de \({\text{I}}_{f}\) y PRS con la fricción de la arena. La Figura 18 demuestra que tres puntos en los valores de \({\text{I}}_{f}\) están por debajo de 1, lo que indica que el tratamiento aplicado no mejora el rendimiento de los lechos de suelo. En consecuencia, también faltan tres puntos en la Fig. 19. Se puede concluir que una mayor fricción de la arena puede mejorar linealmente la capacidad de carga y reducir de forma no lineal el asentamiento de la zapata. En el caso de GRS, respecto a los valores de PRS, el beneficio en términos de asentamiento se estabiliza gradualmente cuando la fricción de la arena supera los 40°. Utilizando la metodología descrita en la Sección "Efecto del módulo de arena", las contribuciones de la arena y las geoceldas al refuerzo se calculan por separado y los resultados detallados se presentan en las Tablas 8 y 9. En particular, la arena desempeña un papel fundamental a la hora de mejorar la capacidad de carga y reducir el asentamiento. para refuerzo de geoceldas. Por el contrario, las geoceldas exhiben una contribución mínima a la reducción del asentamiento, como se ve en la Tabla 9. Generalmente, el rendimiento reforzado se puede mejorar aumentando la fricción de la arena tanto para el caso GRS como para el SC. Sin embargo, a medida que aumenta la fricción de la arena, la contribución de arena se vuelve más significativa. En este estudio, un valor de fricción de arena de 40° puede considerarse la opción óptima para los materiales de relleno, asegurando un rendimiento bien reforzado y promoviendo la contribución de las geoceldas.

Variación de \({\text{I}}_{f}\) con la fricción de la arena.

Variación de PRS con la fricción de la arena.

Este artículo presenta una serie de cálculos numéricos para estudiar el rendimiento de lechos de suelo cohesivo reforzados con geoceldas con diferentes materiales de relleno. El suelo cohesivo utilizado en la simulación se tomó de un área de suelo congelado estacionalmente en China. Se realizaron algunas pruebas de laboratorio para obtener algunos parámetros físicos y mecánicos del suelo para simular y considerar el estado de servicio a largo plazo de las subrasantes. Inicialmente, se seleccionó una prueba de modelo realizada por Latha y Somwanshi24 para validar la idoneidad del FLAC3D mediante el uso del elemento estructural. Luego, el modelo verificado se extendió a los modelos de lecho de suelo cohesivo reforzado con geoceldas. Se analizaron tres casos (es decir, refuerzo de geoceldas con suelo de cimentación como materiales de relleno, refuerzo de geoceldas con arena/agregado como materiales de relleno y cojín de arena/agregado). Además, se utilizaron estudios paramétricos para analizar la influencia de las propiedades mecánicas del suelo en el rendimiento de las geoceldas reforzadas. De acuerdo con los resultados numéricos, se pueden extraer las siguientes conclusiones.

Se analizaron cinco casos reforzados y no reforzados para estudiar el desempeño de las geoceldas reforzadas considerando diferentes materiales de relleno. Los resultados numéricos de la capacidad de carga indican que los lechos cohesivos reforzados con geoceldas con suelo sin cohesión como materiales son superiores al refuerzo con relleno de suelos locales cohesivos (suelo de cimentación). Las propiedades mecánicas del relleno de suelo son los factores críticos que influyen en el rendimiento del refuerzo. Además, al comparar el colchón de arena/agregado, se puede observar que no se debe enfatizar demasiado el refuerzo superior de las geoceldas y descuidar las propiedades del relleno del suelo.

Las geoceldas pueden mejorar la capacidad de carga de lechos de suelo cohesivo con arena o agregados como materiales de relleno. Sin embargo, las geoceldas contribuyen poco a la capacidad de carga cuando se utiliza el suelo de cimentación (suelo cohesivo) como material de relleno. Además, el valor de \({\text{I}}_{f}\) del caso GRA aumenta en un 41,3% según el caso AC, siendo \(S{/}B\) igual al 5%, también el valor aumenta en un 175,6% y \(S{/}B\) equivale al 35%. Por lo tanto, las geoceldas obtienen una mayor capacidad de carga cuando las paredes de las geoceldas se movilizan mucho en la dirección lateral.

Si bien es posible que las geoceldas no mejoren significativamente la capacidad de carga cuando se utilizan suelos de cimentación como materiales de relleno, aún pueden ser beneficiosas para reducir el asentamiento de las zapatas, como lo demuestran los cambios en los valores de PRS. En el caso GRA, hay un aumento del 9,8% en el valor PRS en comparación con el caso AC con una relación de refuerzo (\(S{/}B\)) del 10%. Por el contrario, el caso GRS muestra una tasa de crecimiento mucho mayor del 30,7% en el valor PRS que el caso SC. Se puede inferir que las propiedades mecánicas más débiles del suelo sin cohesión hacen que la geocelda desempeñe un papel más significativo en la reducción del asentamiento de la zapata, contribuyendo así al mayor incremento observado en el caso GRS en comparación con el caso GRA.

Varios parámetros mecánicos influyen en el rendimiento de las geoceldas reforzadas. En el caso del GRCS, se observa un mejor desempeño con mayor módulo del suelo y menor cohesión. Para el caso de GRS, los resultados óptimos se logran con un módulo de arena de 20 MPa y un ángulo de fricción de 40°. Estos parámetros contribuyen a mejorar el rendimiento del refuerzo y maximizar la efectividad de las geoceldas.

Este estudio puede proporcionar una referencia al diseñador para seleccionar un material óptimo para llenar las geoceldas que se superponen al lecho cohesivo y hacer que el investigador comprenda el mecanismo de la influencia de los materiales de relleno en el rendimiento del refuerzo. Sin embargo, los resultados correspondientes no fueron validados por los resultados experimentales. Los siguientes estudios deberían centrarse en el uso de las pruebas del modelo para la validación.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el presente estudio están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

Ancho de zapata (m)

Ancho del colchón de geoceldas

Cohesión del agregado (kPa)

Cohesión del suelo cohesivo (kPa)

Cohesión de interfaz (kPa)

Cohesión de la arena (kPa)

Diámetro de bolsillo equivalente (m)

Altura de geocelda (m)

Módulo de corte de interfaz (MPa/m)

Módulo de juventud del agregado (MPa)

Módulo de juventud del suelo cohesivo (MPa)

Módulo joven de geocelda (MPa)

Módulo joven de arena (MPa)

Asentamiento de zapata (m)

Espesor de la geocelda (mm)

Profundidad de colocación de la capa de geoceldas (m)

Asentamiento superficial y levantamiento (mm)

Relación de Poisson (adimensional)

Densidad (kg/m3)

Ángulo de resistencia al corte del agregado (°)

Ángulo de resistencia al corte del suelo cohesivo (°)

Ángulo de fricción de la interfaz (°)

Ángulo de resistencia al corte de la arena (°)

Ángulo de dilatación del agregado (°)

Ángulo de dilatación de la arena (°)

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La investigación descrita en este artículo fue apoyada financieramente por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (No. 42077262, 42077261 y 41972294), el Proyecto de Ciencia y Tecnología del Transporte de Sichuan (No. KJFZ-2022Y-022), el Informe Anual de la Industria del Transporte de 2022. Proyecto de Ciencia y Tecnología (Nos. 2022-ZD-017 y 2022-ZD-018) y Proyecto del Fondo de Investigación del Instituto de Diseño y Encuesta de Planificación del Transporte de Xinjiang Co., Ltd. (Nos. KY2022042504 y KY2022042501).

Laboratorio Estatal Clave de Geomecánica e Ingeniería Geotécnica, Instituto de Mecánica de Rocas y Suelos, Academia China de Ciencias, Wuhan, 430071, China

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Zhenglu

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Jie Liu

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Jingbo Zhang

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YZ propuso la metodología, realizó las simulaciones numéricas y escribió el manuscrito bajo la dirección de ZL y JLJZ y HY proporcionó la investigación previa a la literatura y la edición del lenguaje.

Correspondencia a Zheng Lu o Jie Liu.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Zhao, Y., Lu, Z., Liu, J. et al. Influencia de diferentes materiales de relleno en el rendimiento de lechos de suelo cohesivo reforzados con geoceldas. Representante científico 13, 12330 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-39580-x

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Recibido: 08 de marzo de 2023

Aceptado: 27 de julio de 2023

Publicado: 30 de julio de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-39580-x

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