Análisis del Uso del Modelo Hardening Soil (HS) en Suelos Residuales de Basalto Contractivos

El modelo Hardening Soil (HS) es ampliamente utilizado para simular el comportamiento de suelos bajo cargas, pero su aplicación a suelos residuales de basalto en climas tropicales requiere una evaluación cuidadosa de sus hipótesis y limitaciones, especialmente debido a la naturaleza contractiva de estos suelos.

Comportamiento Contractivo de Suelos Residuales de Basalto

1. Origen y Composición: Los suelos residuales de basalto se forman a partir de la meteorización de la roca basáltica, generando suelos con minerales arcillosos como la caolinita y halloysita, además de óxidos de hierro y aluminio. Esta composición, con una alta proporción de partículas finas, favorece un comportamiento contractivo bajo carga.

2. Estructura y Microfisuras: Estos suelos presentan una microestructura con partículas finas y una posible cementación parcial que colapsa bajo carga. La compactación de la estructura interna y la presencia de microfisuras son características que llevan al comportamiento contractivo, típicamente observado en suelos residuales de basalto.

3. Resultados de Ensayos Geotécnicos:

   • Ensayos de Corte Triaxial: Estos ensayos en suelos residuales de basalto suelen mostrar contracción volumétrica bajo esfuerzos cortantes, reflejando una reorientación y deslizamiento de partículas finas en lugar de expansión (dilatancia).
   • Ensayos de Consolidación: Demuestran que estos suelos son altamente compresibles y experimentan una considerable reducción de volumen al aplicar cargas verticales, confirmando su comportamiento contractivo.

4. Sensibilidad a la Humedad y Efectos de Presión de Poros: Los suelos residuales de basalto son muy sensibles a los cambios de humedad, lo que influye en su capacidad de carga y puede inducir un comportamiento contractivo. La lubricación de las partículas finas en presencia de agua facilita la compactación y pérdida de volumen bajo carga.

5. Falla por Colapso: Estos suelos pueden experimentar colapsos debido a su estructura inestable, especialmente cuando la cementación es débil y la carga induce la destrucción de la microestructura, reforzando aún más el comportamiento contractivo.

Limitaciones del Modelo HS para Suelos Contractivos

El modelo Hardening Soil (HS) es popular para suelos granulares que muestran endurecimiento y dilatancia, pero presenta limitaciones significativas para suelos contractivos, como los residuales de basalto:

1. Ley de Flujo No Asociada: Diseñada principalmente para suelos dilatantes, esta ley no refleja adecuadamente la naturaleza contractiva de los suelos residuales de basalto, lo que a menudo conduce a una representación incorrecta de su comportamiento.

2. Sobreestimación de la Resistencia y Rigidez: El modelo HS tiende a sobreestimar la resistencia y rigidez de suelos contractivos porque no captura la reducción significativa de volumen y pérdida de rigidez inherente a estos materiales. Esto puede resultar en diseños poco conservadores y potencialmente inseguros.

3. Incapacidad para Modelar Colapso y Sensibilidad al Agua: El HS no simula adecuadamente el colapso del suelo bajo carga ni los cambios debidos a la variación en el contenido de humedad, características críticas en suelos residuales propensos a fallas estructurales.

Modelos Sencillos Alternativos para Suelos Residuales de Basalto

1. Modelo de Mohr-Coulomb (MC): Este modelo es una opción simple y ampliamente utilizada, que puede servir como una primera aproximación al comportamiento de suelos residuales contractivos. Requiere pocos parámetros y, aunque no captura la reducción de rigidez de manera precisa, es útil para análisis preliminares de estabilidad.

2. Modelo de Cam Clay Modificado (MCC): Una opción más adecuada para suelos contractivos, ya que considera la compresibilidad y cambios volumétricos bajo carga. Este modelo puede reflejar mejor los asentamientos y la respuesta del suelo residual de basalto bajo cimentaciones.

3. Modelo de Drucker-Prager (DP): Similar al modelo de Mohr-Coulomb, pero en tres dimensiones, y adecuado para materiales con comportamiento frágil o blando bajo esfuerzos compresivos, como los suelos residuales de basalto.

4. Modelo de Mohr-Coulomb Modificado (MMC): Este modelo incorpora la degradación de la rigidez con la deformación, mejorando la capacidad del Mohr-Coulomb tradicional para captar la pérdida de rigidez en suelos frágiles.

Ventajas de GEO5 FEM para Modelar Suelos Contractivos

GEO5 FEM ofrece un conjunto avanzado de modelos constitutivos, como el Cam Clay Modificado (MCC) y el Cam Clay Generalizado (GCC), que proporcionan una representación más precisa de los suelos contractivos:

• MCC y GCC: Capturan los cambios volumétricos y la compresibilidad de los suelos residuales, reflejando de manera realista el comportamiento del suelo bajo condiciones de carga complejas.
• Drucker-Prager y Mohr-Coulomb Modificado: Estos modelos proporcionan enfoques tridimensionales y ajustados para materiales contractivos y frágiles, ofreciendo una solución equilibrada entre simplicidad y precisión.

Conclusión

El uso del modelo Hardening Soil (HS) con una ley de flujo no asociada no es adecuado para suelos residuales contractivos como los de basalto debido a su tendencia a la compactación y pérdida de rigidez bajo carga. Para una representación más precisa, GEO5 FEM ofrece modelos como MCC y GCC que reflejan con mayor fidelidad el comportamiento complejo de estos suelos, mejorando la fiabilidad de los análisis geotécnicos y reduciendo los riesgos asociados a asentamientos inesperados y fallas estructurales.