Simulación numérica del comportamiento tenso-deformacional de muestras de granito naturales y artificialmente fisuradas mediante el código de partículas pfc3d

Resumen

La mecánica de rocas es la rama de la tecnología que estudia el comportamiento de las rocas y macizos rocosos de cara a su utilización en el ámbito de varias actividades humanas. En los primeros estadios de su desarrollo en las décadas de los 60 a los 80 del siglo XX se realizaron múltiples estudios de laboratorio y analíticos para entender su respuesta tenso-deformacional en una serie de situaciones típicas de su aprovechamiento humano (túneles, taludes, cimentaciones). Desde los años 80 del pasado siglo, se comenzaron a desarrollar códigos numéricos cada vez más potentes capaces de simular de manera más realista el comportamiento de estos materiales naturales. En este marco, esta tesis contribuye a avanzar en el conocimiento utilizando códigos de elementos discretos de partícula, aparecidos en el mercado hace unos diez años, para simular el comportamiento tenso-deformacional de probetas de granito intactas y pre-fisuradas en laboratorio incluyendo las fases: elástica, de rotura y post-rotura, tratándose de uno de los primeros intentos en los que se lleva a cabo este tipo de análisis considerando la post-rotura. Para ello, y tras encuadrar el papel de los modelos numéricos en el ámbito de la mecánica de rocas y la ingeniería de los macizos rocosos, se presentan, en primer lugar, los desarrollos de simulación de modelos de partícula aplicados a distintos problemas de mecánica de rocas desde modelos de probetas hasta a aplicaciones a escala de obra. Posteriormente se presentan los resultados de laboratorio de ensayos de resistencia a compresión simple y triaxial tenso-deformacionales de probetas de granito intactas y fisuradas que sirven como referencia de las simulaciones a realizar. Tras introducir el código de elementos discretos de partícula PFC3D, el procedimiento básico de realización de simulaciones y los algoritmos de creación de modelos de partículas enlazadas o Bonded-Particle Models (BPM) se pasa a la simulación de los ensayos de laboratorio. En primer lugar se realizan simulaciones de las probetas de roca intacta comenzando con modelos de contacto sencillo (de enlace paralelo o parallel-bond) que en general no dieron buenos resultados y pasando a modelos más avanzados (tipo junta plana o flat-joint) que produjeron, partiendo de unos parámetros micro-mecánicos estimados, mejores resultados. Mediante un proceso de análisis de sensibilidad en el que se cuantificó la influencia de los parámetros micro-mecánico, se seleccionaron finalmente unos parámetros que permitieron obtener un buen ajuste de la respuesta elástica y resistente de las probetas y en cierta menor medida del comportamiento post-rotura de las probetas en relación a las observaciones de laboratorio. Finalmente, y basándose en los parámetros de la roca intacta, se prepararon modelos de las probetas de roca pre-fisuradas incluyendo las fisuras en los modelos en forma de contactos tipo «junta suave» o smooth-joint y se realizaron modelos de probetas con 1+2 y 2+3 fisuras en paralelo con los ensayos de laboratorio. Tanto el comportamiento elástico como los niveles de resistencia derivados de los modelos se ajustan de manera muy aproximada a la respuesta de las muestras en laboratorio. En cuanto el comportamiento post-rotura, los modelos son capaces de reproducir las tendencias de disminución de la dilatancia con el confinamiento y con el nivel de plastificación sufrido por la muestra, aunque los valores obtenidos indican mayor dilatancia que la observada, lo que se atribuye a la dificultad para simular algunos fenómenos complejos del comportamiento de la roca, en particular, las roturas en esquinas de la muestras y formación de polvo de roca e interacciones entre bandas de cortante o grietas de tracción de nueva formación y fisuras prexistentes. En conclusión, se ha avanzado de manera importante hacia la realización de modelos realistas de probetas intactas y fisuradas en laboratorio con un buen ajuste (matching) de las propiedades de elasticidad y resistencia, las más relevantes para muchos casos prácticos en mecánica de rocas (túneles, taludes) cuando el principal objetivo es evitar la rotura. Además, se han identificado tendencias de parámetros y por primera vez se ha reportado en detalle resultados de post-rotura para una amplia gama de condiciones reales (muestras intactas y fisuradas para una gama amplia de confinamientos), todo lo cual supone un pequeño avance del conocimiento sobre la simulación de rocas mediante de códigos de partícula.