Un conocimiento sólido de la mecánica y el comportamiento del suelo es uno de los pilares fundamentales de la ingeniería geotécnica.La estabilidad y resiliencia de muchas estructuras geotécnicas modernas, incluidos cimientos de edificios, presas, puentes y terraplenes, dependen de un modelado apropiado basado en mediciones precisas de las propiedades del suelo.

En las últimas décadas, el crecimiento sin precedentes de la potencia informática ha convertido las simulaciones numéricas del comportamiento del suelo en una herramienta atractiva en ingeniería geotécnica.Las simulaciones numéricas pueden ayudar a los investigadores a comprender el comportamiento complejo del suelo en diversas condiciones al representar el suelo como un conjunto de partículas que interactúan.

Además, las simulaciones numéricas pueden ayudar a los ingenieros en el diseño, análisis y optimización de estructuras geotécnicas, garantizando su seguridad a largo plazo sin descuidar la rentabilidad.

Sin embargo, los métodos tradicionales para analizar la mecánica del suelo a veces no logran replicar la naturaleza compleja del suelo.Esto es especialmente cierto para el suelo en su estado rígido, donde las partículas están empaquetadas y entrelazadas, dando lugar a características típicas de los materiales sólidos, como resistencia y rigidez.Por lo tanto, existe una necesidad apremiante de mejorar las simulaciones numéricas del suelo en su estado rígido para complementar nuestra comprensión actual del suelo en su estado fluido.

En un estudio recientepublicado en elRevista de ingeniería civil, un equipo de investigadores del Instituto de Tecnología Shibaura, incluido el profesor Shinya Inazumi, se propuso abordar este desafío.

Los investigadores se centraron en simulaciones numéricas realizadas utilizando el método semiimplícito de partículas en movimiento (MSP), que modela el movimiento fluido de una colección de partículas que interactúan basándose en varios principios físicos.Su objetivo era aprovechar el método MSP para simular con precisión pruebas de compresión ilimitada enmuestras de suelode una manera que refleje con precisión la naturaleza dual del suelo, que describe el modelo de biviscosidad del fluido de Bingham.

"Los modelos existentes tienen dificultades para representar con precisión el suelo cuando se encuentra en su estado rígido, donde los principios tradicionales de la mecánica de fluidos no se aplicaban adecuadamente", explica el profesor Inazumi.

Para ello, el equipo ajustó progresivamente susimulaciones numéricasmediante prueba y error para igualar con precisión los resultados de los experimentos de compresión realizados en muestras de arena y arcilla no perturbadas.Al profundizar en las complejidades del proceso de simulación, este enfoque destacó los efectos de parámetros como la distancia entre partículas, el intervalo de tiempo inicial y la viscosidad plástica en la precisión y los costos computacionales de las simulaciones.

Además, también realizaron un análisis de sensibilidad completo de los parámetros de simulación que influyen en el modelo de biviscosidad del fluido de Bingham, como el límite elástico y la deformación crítica por corte.

"Los estudios anteriores a menudo pasaban por alto la interrelación entre los diferentes parámetros del suelo y su efecto colectivo en la precisión de la simulación", comenta el profesor Inazumi, "Había una clara necesidad de un enfoque más holístico que no sólo pudiera mejorar la precisión de la simulación sino también proporcionar un marco sólido paraestudio futuro."

Las conclusiones derivadas de estos análisis ayudarán a establecer metodologías fiables para simular el comportamiento de diferentes tipos de suelo.A su vez, esto conducirá a nuevos estándares para la precisión de la simulación en el campo de la ingeniería geotécnica, lo que tendría un impacto directo en muchas aplicaciones del mundo real.

"Una mayor precisión de la simulación al predecir el comportamiento del suelo bajo carga significa que los ingenieros pueden diseñar estructuras con una mejor comprensión de las condiciones del suelo; esto conduce no sólo a una mayor seguridad sino también a la rentabilidad al minimizar el exceso de ingeniería", comenta el profesor Inazumi.

Vale la pena señalar que una mejor comprensión del comportamiento del suelo adquirida a través de simulaciones permite el desarrollo de mejores modelos de predicción para la prevención de desastres y la mitigación de riesgos.Dichos modelos son esenciales en áreas propensas a terremotos y deslizamientos de tierra, donde un diseño adecuado puede reducir en gran medida el riesgo de fallas catastróficas en las estructuras geotécnicas.

Además, este estudio podría tener implicaciones notables en ingeniería ambiental, gestión del uso del suelo y planificación urbana.

"El análisis preciso del suelo es fundamental para determinar la idoneidad de la tierra para diversos fines, ya sea para uso residencial, comercial o agrícola. Al comprender las características de tensión y deformación del suelo con mayor precisión, los planificadores y desarrolladores pueden tomar decisiones más informadas., optimizando así el uso de la tierra y reduciendo el impacto ambiental", afirma el profesor Inazumi.

Más información:Sudip Shakya et al, Aplicabilidad de la simulación numérica mediante el método de partículas a pruebas de compresión no confinada en geomateriales,Revista de ingeniería civil(2024).DOI: 10.28991/CEJ-2024-010-01-01