Evaluación de la resistencia residual. Efecto de la velocidad de corte, temperatura e interacción termo-hidro-mecánica (THM)

Abstract

(English) The study of residual soil strength and its dependence on intrinsic, external, and coupled effects has gained significant scientific interest due to its relevance in geotechnical field. This doctoral thesis experimentally analyzes the shear behavior of soils under residual conditions, focusing on the effects of shear rate, temperature, and coupled thermo-hydro-mechanical (THM) processes.

To investigate shear rate and temperature effects, 26 tests with progressive shear rate increments and 70 tests under controlled temperature conditions were conducted on various fine-grained soils. A modified Bromhead ring shear apparatus was used to test shear rates from 0.089 mm/min to 45 mm/min and temperatures from 0 °C to 60 °C under normal stresses of 100, 200, and 300 kPa. The results were analyzed using the rate-, state-, and temperature-dependent friction (RSTF) model. Additionally, scanning electron microscopy (SEM) and interferometric imaging were used to examine shear surfaces.

For coupled THM effects, 15 rapid shear tests were performed on Canelles clay, a low-permeability material, using a high-speed ring shear prototype developed at UPC. This device was modified to record temperature and pore pressure during shearing. The results were interpreted using a deformation compatibility model, which successfully reproduced observed deformations and pore pressure changes.

The results indicate that heating reduces friction, while cooling increases resistance. At a constant temperature (~20 °C) and normal stress (100–300 kPa), increasing the shear rate generally increased resistance, except in Barcelona silty clay (the least plastic soil), where resistance decreased under 100 kPa normal stress. Other influencing factors include normal stress, clay fraction, plasticity index, specific surface area, activity, and smectite fraction.

For rapid shear tests on Canelles clay, thermal dilation effects were significant at shear rates above 0.5 km/h. Pore pressure increased by approximately 2 kPa/°C for temperature rises below 20 °C and 5 kPa/°C for rises above 25 °C. If the soil volume had remained constant, frictional heating would have caused even higher pore pressure increases, reducing effective confining stress and shear strength.

In conclusion, residual soil strength is influenced by shear rate, temperature, and THM effects, which are critical for understanding soil behavior in stability assessments.

(Català) L’estudi de la resistència residual del sòl i la seva dependència de factors intrínsecs, externs i efectes acoblats ha generat un interès significatiu en la comunitat científica durant les últimes dècades, especialment en contextos on la estabilitat de masses de sòl deformades per tall està compromesa. Aquesta tesi analitza experimentalment la influència de la velocitat de tall, la temperatura i els processos termo-hidro-mecànics (THM) acoblats en la resistència residual dels sòls.

Per avaluar l’efecte de la velocitat de tall i la temperatura, es van realitzar 26 assaigs amb increments progressius de velocitat i 70 assaigs amb temperatura controlada en un equip de tall anular tipus Bromhead, adaptat per operar en un rang de velocitats de 0.089 mm/min a 45 mm/min i temperatures de 0 °C a 60 °C amb diferents tensions normals (100, 200 i 300 kPa). Els resultats es van interpretar amb el model de fricció dependent de la velocitat, l’estat i la temperatura (RSTF), complementats amb anàlisis de superfícies de trencament mitjançant imatges interferomètriques i microscòpia electrònica d’escombrada (SEM).

Per estudiar els efectes acoblats THM, es van fer 15 assaigs de tall ràpid en argila de Canelles, un material de baixa permeabilitat, utilitzant un prototip de tall anular d’alta velocitat desenvolupat a la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC). Aquest equip es va modificar per registrar simultàniament la temperatura i la pressió de porus durant el tall. Els resultats es van interpretar mitjançant un model de compatibilització de deformacions, permetent reproduir els canvis observats en pressió de porus i deformacions en assaigs d’alta velocitat.

Es va trobar que l’escalfament redueix la fricció, mentre que el refredament l’incrementa. A temperatura constant (~20 °C) i càrrega normal controlada (100-300 kPa), la resistència va augmentar amb la velocitat de tall en la majoria dels sòls, excepte en l’argila llimosa de Barcelona amb 100 kPa, on l’increment de velocitat va disminuir la resistència. Factors com la tensió normal, el contingut d’argila, l’índex de plasticitat i la fracció d’esmectita també van influir en la resposta mecànica del sòl.

Els assaigs de tall ràpid van evidenciar efectes THM significatius. A velocitats superiors a 0.5 km/h, la dilatació tèrmica va generar augments de pressió de porus d’aproximadament 2 kPa/°C per increments menors de 20 °C i 5 kPa/°C per increments superiors a 25 °C. L’anàlisi de compatibilitat de deformacions suggereix que, amb volum constant del sòl, la pressió de porus hauria estat encara més elevada, reduint la tensió efectiva i la resistència residual, a més de l’efecte directe de la temperatura en la fricció.

En conclusió, la resistència residual del sòl està influenciada per la velocitat de tall, la temperatura i processos THM acoblats. La comprensió d’aquests factors és essencial per avaluar l’estabilitat de masses de sòl en condicions crítiques.

(Español) El estudio de la resistencia residual del suelo y su dependencia frente a factores intrínsecos, externos y efectos acoplados ha generado un interés significativo en la comunidad científica durante las últimas décadas, especialmente en contextos donde la estabilidad de masas de suelo deformadas por corte está comprometida. Esta tesis analiza experimentalmente la influencia de la velocidad de corte, la temperatura y los procesos termo-hidro-mecánicos (THM) acoplados en la resistencia residual de los suelos.

Para evaluar el efecto de la velocidad de corte y la temperatura, se realizaron 26 ensayos con incrementos progresivos de velocidad y 70 ensayos con temperatura controlada en un equipo de corte anular tipo Bromhead, adaptado para operar en un rango de velocidades de 0.089 mm/min a 45 mm/min y temperaturas de 0 °C a 60 °C bajo diferentes tensiones normales (100, 200 y 300 kPa). Los resultados fueron interpretados mediante el modelo de fricción dependiente de la velocidad, estado y temperatura (RSTF) y complementados con análisis de superficies de rotura mediante imágenes interferométricas y microscopía electrónica de barrido (SEM).

Adicionalmente, para estudiar los efectos acoplados THM, se realizaron 15 ensayos de corte rápido en arcilla de Canelles, un material de baja permeabilidad, utilizando un prototipo de corte anular de alta velocidad desarrollado en la Universidad Politécnica de Catalunya (UPC). Este equipo fue modificado para registrar simultáneamente temperatura y presión de poro durante el corte. Los resultados se interpretaron mediante un modelo de compatibilización de deformaciones, permitiendo reproducir los cambios observados en presión de poros y deformaciones en los ensayos de alta velocidad.

Se encontró que el calentamiento reduce la fricción, mientras que el enfriamiento la incrementa. A temperatura constante (~20 °C) y carga normal controlada (100-300 kPa), la resistencia aumentó con la velocidad de corte en la mayoría de los suelos, salvo en la arcilla limosa de Barcelona bajo 100 kPa, donde el incremento de velocidad disminuyó la resistencia. Factores como la tensión normal, el contenido de arcilla, el índice de plasticidad y la fracción de esmectita también influyeron en la respuesta mecánica del suelo.

Los ensayos de corte rápido evidenciaron efectos THM significativos. A velocidades superiores a 0.5 km/h, la dilatación térmica generó aumentos de presión de poros de aproximadamente 2 kPa/°C para incrementos menores de 20 °C y 5 kPa/°C para incrementos mayores de 25 °C. El análisis de compatibilidad de deformaciones sugirió que, con volumen de suelo constante, la presión de poros habría sido aún mayor, reduciendo la tensión efectiva y la resistencia residual, además del efecto directo de la temperatura en la fricción.

En conclusión, la resistencia residual del suelo está influenciada por la velocidad de corte, la temperatura y procesos THM acoplados. La comprensión de estos factores es esencial para evaluar la estabilidad de masas de suelo en condiciones críticas.