Análisis del comportamiento tenso-deformacional de arcillas terciarias sobreconsolidadas en el entorno del Campo de Gibraltar

Abstract

Bajo el término Flysch, se engloban un conjunto de depósitos sedimentarios compuestos por alternancias más o menos rítmicas de materiales rocosos (areniscas, margas margocalizas, etc.) con materiales arcillosos menos competentes. Estos materiales están presentes en numerosos puntos del planeta, siempre asociados a procesos orogénicos. Desde el punto de vista geotécnico, los materiales de tipo Flysch presenta una elevada dificultad a la hora de ser muestreados. Por lo general, incluso los materiales arcillosos del Flysch suelen presentar comportamientos intermedios entre rocas blandas y suelos muy firmes, lo que les confiere suficiente resistencia como para complicar su muestreo mediante los toma-muestras convencionales. Por ello, es necesario recurrir a técnicas más complejas para conseguir muestreos sobre este tipo de terrenos y este es uno de los motivos por lo que son materiales que, por lo general, están poco estudiados. Este tipo de materiales están presentes en un buen número de infraestructuras terrestres y marítimas, las cuales frecuentemente quedan condicionadas por la especial naturaleza de estos materiales (Manzano et al. 2020). Deslizamientos de ladera, problemas asociados a estabilidad de las cimentaciones o problemas de estabilidad en la excavación de túneles son algunos de los problemas geotécnicos que con frecuencia se detectan en este tipo de materiales. En la presente tesis, se ha realizado una detallada caracterización física, química y mineralógica de los materiales arcillosos del Complejo del Campo de Gibraltar (Sur de España). Desde el punto de vista granulométrico, esto materiales han demostrado poseer un elevado porcentaje de finos (69,92 % de media), aunque en su mayoría presentan un cierto contenido en gruesos debido en realidad a la dificultad para dispersar los agregados arcillosos. Respecto a la plasticidad, las muestras analizadas muestran un valor medio del límite líquido de 38.2 con un índice de plasticidad medio de 17.5. En cuanto al contenido de humedad natural, las muestras analizadas presentan valores medios por debajo del límite plástico (humedad media = 15.7%). Todo esto hace que los suelos analizados se clasifiquen en su mayoría como arcillas inorgánicas de baja plasticidad (Manzano et al. 2022). Además, se han realizado ensayos de difracción de rayos X para establecer la mineralogía presente en las muestras. En estos ensayos, el principal mineral presente en todos los casos es el cuarzo, seguido de un porcentaje importante de illita. El clinocloro también aparece de manera generalizada como un mineral principal, mientras que tanto calcita como dolomita aparecen en menor medida. Como mineralogía accesoria de este tipo de arcillas aparecen minerales como la Beidelita, paligorskita, fluorapatito, chamosita y nontronita. Desde un punto de vista estrictamente químico, las muestras analizadas presentaron contenidos en sulfatos y sales solubles bajos, mientras que apenas presentaban materia orgánica. Por último, el contenido medio en carbonatos es del 5 % aunque con diferencias significativas entre diferentes muestras. Además de identificar y estudiar la composición del suelo, se han realizado ensayos conducentes a conocer sus propiedades resistentes. Para ello, se han realizado ensayos triaxiales (de tipo CU y CD), además de ensayos edométricos. A partir de estos ensayos se han extraído los valores característicos para cada una de las muestras de manera que éstas pudiesen representarse según tres modelos constitutivos diferentes, a saber: Modelo Mohr Coulomb, Modelo Cam Clay Modificado y modelo Hardening Soil. A partir de los ensayos realizados se ha comprobado que las muestras muestran un comportamiento hiperbólico bajo condiciones triaxiales con un cierto endurecimiento progresivo conforme aumenta la deformación. Por otro lado, se han realizado modelos mediante elementos finitos de los propios ensayos triaxiales de manera que se comprobase la bondad del ajuste para cada uno de los modelos establecidos. En todas las modelizaciones realizadas, se comprueba que el modelo Hardening Soil es el que se ajusta con más precisión a los datos reales de ensayo, siendo este ajuste sensiblemente mejor para deformaciones unitarias bajas. Los modelos Cam Clay y Mohr Coulomb no mostraron ajustes razonables más que en la primera parte del comportamiento elástico. En la parte final de la tesis, se ha realizado un análisis mediante elementos finitos de un ensayo real de carga estática axial sobre un micropilote. Los resultados obtenidos en este ensayo se han comparado con los resultados arrojados para este modelo, observándose cómo el mejor ajuste se obtiene cuando se modeliza el terreno con un modelo constitutivo de tipo Hardening soil, siendo las diferencias entre el modelo y los datos reales del ensayo (del orden del 3 %).

he term ‘Flysch’ encompasses a set of sedimentary deposits made up of rhythmic alternations of rocky materials (sandstone, marl-limestone, etc.) with less competent clayey materials. These materials are present in many parts of the planet, always associated with orogenic processes. From a geotechnical point of view, Flysch-type materials are highly difficult to sample. In general, even the clayey materials of the Flysch tend to present intermediate behaviours between soft rocks and very firm soils, which gives them enough resistance to complicate their sampling using conventional samplers. For this reason, it is necessary to resort to more complex techniques to obtain samples on this type of land, and this is one of the reasons why these materials are generally little studied. These materials are present in many terrestrial and maritime infrastructures, which are frequently conditioned by the special nature of these materials (Manzano et al. 2020). Landslides, problems associated with the stability of the foundations or stability problems in the excavation of tunnels are some of the geotechnical problems that are frequently detected in this type of material. In this thesis, a detailed physical, chemical, and mineralogical characterisation of the clayey materials of the Campo de Gibraltar Complex (Southern Spain) were carried out. From the grading point of view, these materials were shown to possess a high percentage of fines (69.92 % on average), although most of them had a certain coarse content, due to the difficulty in dispersing the clayey aggregates. Regarding plasticity, the samples analysed showed a mean value of the liquid limit of 38.2 with a mean plasticity index of 17.5. Regarding the natural moisture content, the samples analysed presented mean values below the plastic limit (mean moisture = 15.7%). This means that the analysed soils were classified mostly as inorganic clays of low plasticity (Manzano et al., 2022). In addition, X-ray diffraction tests have also been carried out to establish the mineralogy in the samples. In these tests, quartz was the main mineral present in all cases, followed by a significant percentage of illite. Clinochlore also appeared widely as a major mineral, while both calcite and dolomite appeared to a lesser extent. Minerals such as beidellite, palygorskite, fluorapatite, chamosite and nontronite appeared as accessory mineralogy of this type of clay. From a strictly chemical point of view, the samples analysed presented low sulphate and soluble salt contents, and hardly any organic matter. Finally, the average carbonate content was 5%, with significant differences between samples. In addition to identifying and studying the composition of the soil, tests were carried out to determine the resistant properties of this type of soil. To this end, triaxial tests (CU and CD types) were carried out in addition to oedometric tests. From these tests, the characteristic values for each of the samples were extracted so that they could be represented according to three different constitutive models: Mohr-Coulomb Model, Modified Cam Clay Model and Hardening Soil model. From the tests, the samples were verified to show a hyperbolic behavior under triaxial conditions with a progressive hardening as the deformation increases. In addition, models were made using finite elements of the triaxial tests to check the goodness of fit for each of the established models. In all the modelling carried out, it was verified that the Hardening Soil model is the one that adjusts most precisely to the real test data, this adjustment being significantly better for low unit strains. The Cam Clay and Mohr-Coulomb models did not show reasonable fits other than in the first part of the elastic behaviour. In the final part of the thesis, an analysis was carried out using finite elements of a real test of axial static load on a micropile. The results obtained in this test were compared with the results obtained for this model, observing how the best fit is obtained when the terrain is modelled with a Hardening soil type constitutive model, with the differences between the model and the real test data being (around 3%).