A análise e projeto de grandes estruturas de engenharia requerem, geralmente, a utilização de fundações profundas baseadas em estacas de aço ou concreto armado. Sendo o problema de natureza tridimensional pelas condições de contorno e a variação espacial das propriedades do solo, necessita-se de uma ferramenta computacional capaz de simular esse tipo de problema em situações de interesse, tais como carregamento sísmico ou quase-estático por consolidação. Neste trabalho, propõe-se um modelo numérico tridimensional baseado no método dos elementos finitos sob pequenas deformações para a modelagem do problema de interação solo-estaca sob carregamento estático, quase-estático e dinâmico. Elementos finitos hexaédricos são utilizados para representar o meio poroso saturado e as estacas de concreto armado. Considera-se a interação parcial entre ambos meios, mediante a inclusão de elementos de interface capazes de simular separação e escorregamento. A não-linearidade física de todos os materiais envolvidos é considerada mediante a utilização da teoria de plasticidade, onde esquemas de integração explícita são utilizados. Um modelo constitutivo baseado na teoria de plasticidade generalizada é utilizado para simular o fenômeno de liquefação em areias. No caso da estaca de concreto armado, utilizou-se um modelo de fissuras distribuídas para representar o processo de fissuração, enquanto a armadura de reforço pode ser representada por uma camada distribuída equivalente ou por um modelo discreto incorporado. Exemplos numéricos são apresentados para validar a correta implementação do modelo numérico. / Deep foundations using steel or reinforced concrete piles are conmmonly used in large civil engineering structures. Due to the three-dimensional nature of the problem, its boundary conditions and spatial variability of soil properties, it is necessary to employ numerical models that must be able to simulate this problem under seismic loading as well as under quasi static consolidation processes. A three-dimensional numerical model based on the finite element method, for the static, quase-static and dynamic analysis of the soil-pile interaction problem under the small strain assumption is proposed in this work. For this purpose, coupled hexahedral finite elements are used to represent soil and concrete piles. Interface elements are used to simulate slip, bonding and opening processes at the soil-pile interface. Material nonlinear behaviour of the soil and concrete are considered by using the theory of plasticity, where explicit integration schemes are used. A suitable constitutive model based on the generalized theory of plasticity is employed to represent the liquefaction phenomena in sands under cyclic loading. For the concrete pile, a smeared approach is used to represent concrete cracking due to traction stresses, while both an equivalent smeared layer representation or a discrete unidimensional representation can be used for modeling the reinforcing steel. Numerical examples are presented in order to validate the implementation of the numerical model.

A análise e projeto de grandes estruturas de engenharia requerem, geralmente, a utilização de fundações profundas baseadas em estacas de aço ou concreto armado. Sendo o problema de natureza tridimensional pelas condições de contorno e a variação espacial das propriedades do solo, necessita-se de uma ferramenta computacional capaz de simular esse tipo de problema em situações de interesse, tais como carregamento sísmico ou quase-estático por consolidação. Neste trabalho, propõe-se um modelo numérico tridimensional baseado no método dos elementos finitos sob pequenas deformações para a modelagem do problema de interação solo-estaca sob carregamento estático, quase-estático e dinâmico. Elementos finitos hexaédricos são utilizados para representar o meio poroso saturado e as estacas de concreto armado. Considera-se a interação parcial entre ambos meios, mediante a inclusão de elementos de interface capazes de simular separação e escorregamento. A não-linearidade física de todos os materiais envolvidos é considerada mediante a utilização da teoria de plasticidade, onde esquemas de integração explícita são utilizados. Um modelo constitutivo baseado na teoria de plasticidade generalizada é utilizado para simular o fenômeno de liquefação em areias. No caso da estaca de concreto armado, utilizou-se um modelo de fissuras distribuídas para representar o processo de fissuração, enquanto a armadura de reforço pode ser representada por uma camada distribuída equivalente ou por um modelo discreto incorporado. Exemplos numéricos são apresentados para validar a correta implementação do modelo numérico. / Deep foundations using steel or reinforced concrete piles are conmmonly used in large civil engineering structures. Due to the three-dimensional nature of the problem, its boundary conditions and spatial variability of soil properties, it is necessary to employ numerical models that must be able to simulate this problem under seismic loading as well as under quasi static consolidation processes. A three-dimensional numerical model based on the finite element method, for the static, quase-static and dynamic analysis of the soil-pile interaction problem under the small strain assumption is proposed in this work. For this purpose, coupled hexahedral finite elements are used to represent soil and concrete piles. Interface elements are used to simulate slip, bonding and opening processes at the soil-pile interface. Material nonlinear behaviour of the soil and concrete are considered by using the theory of plasticity, where explicit integration schemes are used. A suitable constitutive model based on the generalized theory of plasticity is employed to represent the liquefaction phenomena in sands under cyclic loading. For the concrete pile, a smeared approach is used to represent concrete cracking due to traction stresses, while both an equivalent smeared layer representation or a discrete unidimensional representation can be used for modeling the reinforcing steel. Numerical examples are presented in order to validate the implementation of the numerical model.

La construcción de coberturas en zonas alto andinas se ha convertido en una pieza clave para disminuir los pasivos ambientales y, a la vez, contribuir el desarrollo del país gracias a la minería. Gran parte del terreno en estas zonas son suelos arcillosos cuyo comportamiento es impredecible porque presentan cambios de volumen abruptos según la variación de saturación del suelo. Quienes transitan por carreteras en taludes de este tipo de suelo, corren alto riesgo debido al deslizamiento que sufren los taludes cada año. En este tipo de taludes se producen deslizamientos cuando el suelo arcilloso se encuentra parcialmente saturado, ya que en estas condiciones el suelo no es estable. Por ello, se realizaron los estudios de estabilidad de taludes de suelo parcialmente saturado con el método de talud infinito. Se construyó la envolvente de falla del suelo parcialmente saturado con los valores del ensayo del papel filtro y corte directo de acuerdo con la saturación a la que se encuentre sometido. Estos valores serán importantes para el cálculo del factor de seguridad, el cual se obtuvo a partir de una hoja de cálculo propuesta en esta investigación. Finalmente, se validó la hoja de cálculo con el software Geostudio donde se obtuvo una variación dentro del rango de significancia +-5%. Se concluyó que el análisis de estabilidad de talud de cobertura de un suelo parcialmente saturado proporciona un valor de factor de seguridad a partir de un análisis que simula con mayor exactitud el comportamiento del suelo. / The construction of hedges in high Andean areas has become a key element in reducing environmental liabilities and, at the same time, contributing to the development of the country thanks to mining. Much of the terrain in these areas is clay soils whose behavior is unpredictable because they present abrupt volume changes depending on the variation in soil saturation. Those who travel on roads on slopes of this type of soil are at high risk due to the landslide suffered by the slopes every year. In this type of slopes, landslides occur when the clay soil is partially saturated, since under these conditions the soil is not stable. For this reason, the stability studies of partially saturated soil slopes were carried out with the infinite slope method. The partially saturated soil failure envelope was constructed with the values ​​of the filter paper test and direct cut according to the saturation to which it is subjected. These values ​​will be important for the calculation of the safety factor, which was obtained from a spreadsheet proposed in this investigation. Finally, the spreadsheet was validated with the Geostudio software, where a variation was obtained within the range of significance + -5%. It was concluded that the slope stability analysis of a partially saturated soil cover provides a factor of safety value from an analysis that more accurately simulates soil behavior. / Tesis