El placer de modelar excavaciones profundas prácticas en arcilla blanda utilizando SIGMA/W

En Singapur, la excavación profunda supone un desafío, ya que la geología local tiene una gruesa capa de arcilla blanda con lentes ocasionales de arena, suelos turbosos/orgánicos y un alto nivel freático.

Los ingenieros deben predecir la desviación lateral del muro de contención y el asentamiento vertical del suelo adyacente, que tiene límites estrictos establecidos por parte de la autoridad de control de construcción. Es esencial realizar un análisis detallado con GeoStudio u otro programa de MEF (método de elementos finitos) para presentarlo ante las autoridades previo a la construcción. Esta presentación muestra cómo se utilizó GeoStudio para modelar problemas de excavación profunda.

Generalidades

Video Transcript

[00:00:18.269]
Gracias, presidente, por su amable introducción.</v>

[00:00:21.470]
Gracias por brindarme esta oportunidad

[00:00:23.850]
de compartir mi experiencia utilizando el programa GeoStudio.

[00:00:34.640]
Vengo de la Universidad Nacional de Singapur

[00:00:39.360]
y quiero aprovechar esta oportunidad

[00:00:41.090]
para compartir mi camino y el agrado

[00:00:43.660]
que me genera modelar una excavación profunda práctica

[00:00:45.750]
en arcilla blanda utilizando SIGMA/W.

[00:00:51.290]
Singapur es una ciudad muy urbanizada,

[00:00:54.700]
con muchos rascacielos que tienen sótanos,

[00:00:58.810]
y también con un enorme

[00:01:01.790]
sistema de red de subterráneo.

[00:01:05.230]
En estas pequeñas islas

[00:01:07.710]
viven seis millones de personas

[00:01:10.490]
y, por ello, son tan habituales los rascacielos.

[00:01:14.139]
Por lo tanto, los trabajos de excavación profunda se convierten en una

[00:01:17.220]
característica común de la ingeniería geotécnica.

[00:01:23.060]
Tenemos ciertos retos para llevar a cabo

[00:01:26.210]
estas excavaciones profundas en Singapur,

[00:01:28.670]
en parte, debido a la geología local,

[00:01:31.120]
que tiene capas gruesas de arcilla blanda

[00:01:34.220]
con lentes de arena ocasionales entre ellas,

[00:01:38.000]
especialmente en la zona céntrica de CBD,

[00:01:41.040]
donde se concentran muchos rascacielos.

[00:01:43.890]
En segundo lugar, también tenemos niveles freáticos muy altos

[00:01:46.780]
aproximadamente desde medio metro hasta un metro y medio

[00:01:49.900]
por debajo del nivel de suelo existente.

[00:01:52.610]
Por lo que cualquier excavación tendría que lidiar

[00:01:55.760]
con el bombeo y el descenso de aguas subterráneas.

[00:01:59.450]
En tercer lugar, la mayor parte del trabajo de excavación profunda

[00:02:02.330]
se lleva a cabo junto a edificios ya existentes.

[00:02:05.300]
Por esta razón, el impacto que tiene la excavación

[00:02:07.227]
en edificios existentes se convierte en un problema serio

[00:02:10.110]
para los ingenieros.

[00:02:13.120]
Ellos deben predecir la desviación lateral

[00:02:15.740]
del muro de contención

[00:02:18.160]
y el asentamiento vertical del suelo

[00:02:20.880]
al edificio adyacente, al lado de la excavación.

[00:02:25.120]
Ambos parámetros son controlados de la mejor manera

[00:02:28.720]
por parte de la autoridad de control de construcción, quien establece

[00:02:31.590]
límites muy estrictos.

[00:02:35.220]
Por lo tanto, es necesario hacer un análisis detallado utilizando algún tipo de

[00:02:38.280]
programa de elementos finitos

[00:02:41.030]
para realizar cualquier trabajo de excavación

[00:02:43.970]
en Singapur, antes o después de la construcción,

[00:02:48.230]
como también durante todo el proceso.

[00:02:51.450]
Hice muchos trabajos

[00:02:53.530]
utilizando el programa GeoStudio, especialmente SIGMA/W,

[00:02:56.220]
en todo el modelado de excavación.

[00:03:00.280]
Permítanme mostrarles algunas imágenes

[00:03:02.120]
del paisaje urbano de Singapur,

[00:03:05.790]
donde se pueden ver claramente algunos trabajos de excavación

[00:03:08.093]
realizados al lado de un edificio existente,

[00:03:10.850]
como también estaciones de MRT próximas al centro de Singapur.

[00:03:16.600]
Esta imagen muestra la clara

[00:03:19.940]
formación geológica compleja de Singapur,

[00:03:22.540]
de nuevo, en el centro de la ciudad,

[00:03:24.800]
donde se puede ver una gruesa capa de arcilla blanda

[00:03:26.640]
de 30-40 metros con algunos lentes de arena en el medio.

[00:03:33.440]
Esta fotografía muestra el área subterránea repleta

[00:03:37.280]
de Singapur, llena de construcciones de sótanos y

[00:03:41.040]
túneles para servicios públicos, para el agua,

[00:03:44.080]
para las cloacas y también para el tránsito rápido masivo.

[00:03:47.970]
Hablamos de túneles ya existentes y, además, algunos

[00:03:50.850]
previstos para el futuro en los que vamos a trabajar.

[00:03:55.380]
En este ejemplo del centro de Singapur,

[00:03:59.010]
al lado de la universidad céntrica,

[00:04:01.810]
está la estación Bencoolen Street,

[00:04:04.970]
donde se pueden observar

[00:04:07.100]
hasta cuatro niveles de excavación que se van a construir,

[00:04:10.440]
o que ya han sido construidos, con una profundidad

[00:04:12.780]
de casi 43 metros, ¿bien?

[00:04:15.520]
Se cortaron capas de arcilla blanda, lentes de arena,

[00:04:18.340]
etcétera, con el estricto

[00:04:20.880]
y muy riguroso requisito de desviación del muro de contención.

[00:04:26.030]
Esta imagen demuestra dos problemas.

[00:04:27.750]
Por un lado, la desviación lateral que ya mencioné.

[00:04:32.290]
Y, por el otro, el asentamiento

[00:04:35.040]
próximo a la excavación sin un modelado

[00:04:38.320]
numérico apropiado ni control.

[00:04:40.350]
Observarán que ambos o alguno de

[00:04:42.880]
estos parámetros no será aceptado

[00:04:45.040]
por la autoridad y le generará un problema

[00:04:47.420]
al edificio adyacente.

[00:04:49.410]
Por consiguiente, el modelado con un MEF es un requisito

[00:04:54.150]
y, más específicamente, SIGMA/W funciona muy bien para esta tarea.

[00:04:57.580]
Ahora, voy a compartir algunas consideraciones principales necesarias para llevar a cabo

[00:05:00.340]
este modelado de elementos finitos para problemas

[00:05:02.360]
de excavación profunda. Como mínimo,

[00:05:06.040]
compartiré siete u ocho con los presentes.

[00:05:08.480]
Número uno: Al trabajar con un MEF, se debería poder

[00:05:11.060]
modelar el comportamiento de la arcilla blanda de forma adecuada.

[00:05:13.950]
Debido a las capas gruesas de arcilla blanda,

[00:05:15.390]
esto se convierte en un asunto crucial.

[00:05:17.390]
Número dos: Tenemos que llevar a cabo

[00:05:19.720]
un análisis de consolidación acoplado.

[00:05:22.380]
Como el trabajo de excavación puede durar varios meses,

[00:05:27.370]
la presión del agua es baja.

[00:05:29.750]
Esto se debe a que

[00:05:32.950]
se bombea el agua

[00:05:34.760]
dentro del sitio de excavación.

[00:05:37.010]
Número tres: Debemos analizar

[00:05:39.180]
la tensión total y la tensión efectiva

[00:05:41.710]
para poder lograr una estabilidad a largo plazo.

[00:05:44.860]
Número cuatro: La capacidad de modelar las condiciones

[00:05:47.730]
realistas de drenaje del muro de contención.

[00:05:50.090]
Ningún muro de contención es perfectamente hermético

[00:05:53.760]
en un sentido práctico. Por lo tanto, el muro de contención

[00:05:58.357]
puede tener, y ya ha tenido en varias ocasiones,

[00:06:01.700]
una pequeña fuga.

[00:06:03.310]
En particular, ocurre cuando los lentes de arena están en el medio

[00:06:05.400]
de dos arcillas blandas. Por esta razón, la capacidad de modelar

[00:06:08.600]
este riesgo real es muy importante en el modelado de elementos finitos.

[00:06:11.530]
Número cinco: A lo anterior, se le suma el modelado de

[00:06:14.540]
la propiedad de la interfaz entre el muro de contención,

[00:06:16.920]
que es un muro más barato o un muro pantalla,

[00:06:19.800]
y la interfaz adyacente.

[00:06:22.500]
Número seis: La capacidad de realizar un estudio de sensibilidad de manera fácil.

[00:06:26.690]
Número siete: La capacidad de modelar las etapas

[00:06:29.280]
de excavación complejas, que, claramente, incluyen

[00:06:32.150]
etapas in-situ con tensión inicial

[00:06:35.460]
seguidas de la inserción de estructuras de contención,

[00:06:38.160]
excavación, inserción,

[00:06:40.520]
excavación de nuevo, inserción, excavación,

[00:06:42.810]
inserción, y así sucesivamente.

[00:06:44.070]
En el medio, también se debe hacer el descenso de aguas subterráneas.

[00:06:46.710]
Por lo tanto, estas etapas de excavación compleja deben poder

[00:06:50.050]
incluir esto en su modelado final

[00:06:53.160]
y editarlo fácilmente a medida que avanza.

[00:06:57.960]
Sin dudas, la última consideración es la capacidad de analizar

[00:07:00.090]
el fallo de un puntal como un supuesto

[00:07:02.590]
para un análisis de contingencia.

[00:07:05.950]
En los últimos años, he utilizado SIGMA/W

[00:07:09.140]
para desempeñar mis tareas y descubrí que funciona

[00:07:12.109]
muy bien y de forma eficiente,

[00:07:14.730]
ya que cubre todos los puntos

[00:07:17.350]
que mencioné anteriormente.

[00:07:19.720]
Permítanme compartir algunos ejemplos

[00:07:21.880]
de las excelentes características de SIGMA/W

[00:07:23.950]
al resolver esta excavación profunda en particular.

[00:07:26.350]
Espero lograr convertir este reto técnico

[00:07:28.310]
en una experiencia placentera.

[00:07:33.700]
En primer lugar, la capacidad de modelar el comportamiento de arcilla blanda

[00:07:36.670]
de forma adecuada utilizando SIGMA/W que está equipado con muchos

[00:07:41.360]
modelos de suelos comunes. Y la última versión de SIGMA/W,

[00:07:44.486]
modelo 2021, tiene nuevos modelos llamados

[00:07:47.900]
Mohr-Coulomb Hardening or Softening

[00:07:51.430]
que son muy útiles para la arcilla blanda.

[00:07:53.490]
Últimamente, estuvimos utilizándolo

[00:07:55.700]
y es realmente muy práctico.

[00:07:58.570]
En segundo lugar, la característica especial llamada

[00:08:01.170]
Analysis Tree de SIGMA/W, presente en

[00:08:04.390]
todos los programas de GeoStudio.

[00:08:06.900]
Es muy conveniente, en particular, para problemas complejos

[00:08:09.840]
como la excavación profunda y la dimensión que incluyen

[00:08:12.110]
varias etapas desde los factores de tensión iniciales

[00:08:14.740]
hasta el excedente, la excavación, el puntal, etc.

[00:08:17.330]
Es muy útil y claro.

[00:08:19.460]
Por ejemplo,

[00:08:21.540]
aquí ilustré la etapa de tensión inicial.

[00:08:24.780]
Pueden elegir la etapa de activación por gravedad

[00:08:27.830]
o el estado de procedimiento Ko para estos pasos;

[00:08:30.690]
son claros y fáciles de ajustar.

[00:08:35.160]
Por supuesto, además, tiene lindos

[00:08:37.781]
gráficos y una buena interfaz de usuario

[00:08:41.130]
con indicaciones claras.

[00:08:43.960]
Por ejemplo, en esta diapositiva,

[00:08:46.410]
cuando se hace el análisis de tensión in-situ,

[00:08:50.193]
se muestra el elemento del suelo sombreado,

[00:08:54.560]
lo que significa que se aplica la unidad de peso y

[00:08:58.010]
los encendidos por gravedad; mientras que en otras

[00:09:00.590]
masas, no estará sombreado.

[00:09:03.410]
En tercer lugar, la capacidad de modelar

[00:09:05.710]
el proceso de consolidación acoplado.

[00:09:07.880]
Lo que menciono aquí es para explicar que,

[00:09:11.150]
durante la excavación en arcilla blanda,

[00:09:13.610]
se producen la descarga de tierra y el descenso de aguas subterráneas.

[00:09:18.160]
Estas dos acciones provocan una reducción de los cambios

[00:09:21.280]
de la baja presión del agua durante el proceso.

[00:09:23.500]
Por eso se debe tener una consolidación acoplada.

[00:09:26.610]
Y la consolidación tradicionalmente acoplada

[00:09:29.260]
se puede resolver mediante un análisis de tipo Biot.

[00:09:31.600]
Creo que SIGMA/W es una herramienta muy adecuada e inteligente.

[00:09:36.130]
Además, la relación esfuerzo vs. deformación

[00:09:39.200]
con las ecuaciones de continuidad y, por supuesto,

[00:09:41.657]
la ecuación continua es representativa

[00:09:44.700]
para justo el tipo de programa conocido

[00:09:47.900]
que incorpora las mécanicas de suelos no saturadas o

[00:09:50.760]
parcialmente saturadas.

[00:09:53.360]
Esto hace que este programa sea muy interesante.

[00:09:59.180]
Es bastante fácil seleccionar esta consolidación acoplada:

[00:10:02.000]
solo debe elegir

[00:10:04.160]
el tipo de análisis aquí, y elegir

[00:10:06.400]
un ácido, un tipo de consolidación. Con esta opción,

[00:10:10.210]
la ecuación de caudal y la ecuación sin esfuerzo

[00:10:13.180]
se acoplarán automáticamente en el transcurso del análisis.

[00:10:17.650]
Número cuatro: El elemento de interfaz

[00:10:19.430]
y el muro de contención.

[00:10:22.190]
Puede moldearse con muchos tipos

[00:10:24.820]
de elementos de interfaz, tal como se muestra

[00:10:27.140]
en el presente diagrama.

[00:10:29.080]
Las líneas azules aquí indican la interfaz

[00:10:31.190]
de dos lados del muro de contención.

[00:10:33.720]
Si selecciona el elemento de interfaz,

[00:10:35.970]
hay una amplia gama de modelos para elegir.

[00:10:42.320]
No solo la gran cantidad de modelos de suelo

[00:10:45.030]
en términos de resistencia disponibles,

[00:10:47.560]
sino también la condición hidráulica

[00:10:49.760]
de este elemento de interfaz, que indica

[00:10:53.110]
si existen filtraciones

[00:10:57.890]
en las estructuras de contención.

[00:10:59.320]
Por lo tanto, puede elegir la característica hidráulica aquí

[00:11:02.140]
y también si estará saturado o no saturado

[00:11:05.440]
Por supuesto que si se trata de una excavación profunda,

[00:11:08.540]
la mayor parte del tiempo estará saturado;

[00:11:10.110]
sin embargo, cerca de la cima también

[00:11:11.870]
puede estar un poco no saturado.

[00:11:15.340]
La característica número seis es

[00:11:17.300]
la capacidad de definir todo tipo de funciones

[00:11:20.670]
de tensión, desde el punto de vista

[00:11:23.440]
de todas las funciones de conductividad hidráulica.

[00:11:24.892]
Se trata de utilizar una herramienta que pueda definir

[00:11:29.330]
todas las funciones, en lugar de un valor constante,

[00:11:32.260]
con respecto al nivel de tensión y a los intervalos de tiempo.

[00:11:38.760]
Y la característica número siete

[00:11:40.950]
es la entrada y salida que es eficiente y con un diseño muy ingenieril.

[00:11:44.445]
Personalmente, creo que es muy útil

[00:11:47.510]
para nosotros, los ingenieros, ya que

[00:11:50.820]
se puede ver qué introducimos con una interfaz

[00:11:54.740]
gráfica muy clara y una excelente combinación de colores.

[00:11:59.060]
Esta diapositiva, que representa una entrada interna, así como un resultado,

[00:12:00.920]
muestra los resultados visibles.

[00:12:03.030]
Se puede notar fácilmente una forma deformada

[00:12:06.930]
al observar el movimiento de cada una de los nodos.

[00:12:08.930]
O se puede mover, también,

[00:12:12.230]
incluyendo el color de la capa de material

[00:12:15.270]
en la interfaz gráfica.

[00:12:18.160]
Se puede ver con claridad qué porción

[00:12:19.890]
del muro de contención se deformó más gravemente.

[00:12:22.900]
Además, esta imagen demuestra

[00:12:24.930]
la facilidad con la que se puede seleccionar la capa freática,

[00:12:29.820]
a medida que el proceso de excavación avanza paso a paso.

[00:12:35.630]
Esta diapositiva demuestra uno de los típicos

[00:12:38.480]
resultados importantes que los ingenieros

[00:12:40.540]
siempre tienen que observar:

[00:12:42.030]
la desviación lateral del muro de contención

[00:12:43.910]
en distintos momentos,

[00:12:45.650]
en comparación con el momento en el que se

[00:12:47.340]
inclina el muro.

[00:12:49.450]
Y tiene un estilo muy ingenieril para analizar

[00:12:52.970]
los resultados, lo que facilita la interpretación

[00:12:55.320]
del ingeniero y la presentación de informes.

[00:13:00.330]
Estos resultados son los que los ingenieros

[00:13:02.610]
desean, y espero que también lo sean

[00:13:05.020]
para las personas que quieren

[00:13:07.610]
analizar problemas similares en la región.

[00:13:11.090]
Para resumir, me gustaría decir que

[00:13:13.270]
existen muchas ventajas y recalcar

[00:13:15.740]
al menos cinco que se deben al uso de SIGMA/W

[00:13:19.650]
en problemas de modelado de excavación profunda,

[00:13:22.280]
especialmente en zonas con arcilla blanda.

[00:13:25.070]
Número uno: el acoplamiento del flujo de infiltración

[00:13:27.610]
y la formulación de tensión y deformación

[00:13:29.610]
que da como resultado un análisis sólido desde el punto de vista técnico.

[00:13:32.390]
Número dos: la disponibilidad de muchos modelos

[00:13:36.470]
de suelos adecuados. Número tres: la facilidad de la puesta en marcha

[00:13:39.940]
de las etapas complejas de excavación,

[00:13:42.670]
entre ellas el paso a paso del cambio de la capa freática.

[00:13:46.430]
Esto último es muy importante y útil.

[00:13:49.600]
Número cuatro: el elemento de interfaz

[00:13:52.230]
que permite realizar

[00:13:55.690]
un modelado realista de los factores de tensión, la transferencia de tensión

[00:13:59.840]
y las condiciones de drenaje

[00:14:01.870]
en las estructuras de contención.

[00:14:04.560]
Por último, si bien no menos importante,

[00:14:06.810]
tiene una interfaz gráfica de usuario

[00:14:08.910]
que está muy bien diseñada y es fácil de usar.

[00:14:11.420]
Esto causará que desempeñar su talento de modelado

[00:14:14.090]
se convierta en una experiencia placentera.

[00:14:16.450]
Espero que compartir esta información ayude

[00:14:19.730]
a ingenieros diseñadores de la región

[00:14:22.190]
o de todo el mundo que tengan problemas

[00:14:23.840]
similares a la excavación profunda en arcilla blanda

[00:14:26.690]
u otros problemas geotécnicos.

[00:14:28.570]
Descubrirán que utilizar SIGMA/W es una valiosa experiencia.

[00:14:32.120]
Tras haber dicho todo esto, les agradezco.