Caracterización geológica y aplicaciones de las arenas silíceas en infraestructuras costeras : incertidumbres en los modelos de predicción

La certidumbre que rodea las predicciones en problemas donde prevalece la interacción sueloestructura es en la actualidad un tema trascendente para todos los agentes involucrados en el diseño y control de calidad de las obras. En esta tesis doctoral se han elegido cuatro problemas para desarrollar de forma práctica el concepto de fiabilidad geotécnica . Los casos tratados son: asiento de zapatas, asiento de pilotes aislados, deflexiones horizontales de pilotes sometidos a cargas horizontal y asientos de losas de cimentación apoyadas en una mejora del terreno con inclusiones rígidas. Todos ellos en un terreno granular homogéneo y bien caracterizado. La elección de estos casos se debe a que se dispone de una información completa sobre su comportamiento, gracias a ensayos de carga a escala real sobre los mismos realizados como parte del control de calidad de obras. En cada uno de los casos, se comparan las predicciones obtenidas a partir de formulaciones clásicas bien conocidas, las cuales serían habitualmente utilizadas durante la fase de diseño, con los resultados de las pruebas a escala real. Dado que se dispone de abundante información, tanto de la caracterización geotécnica inicial del terreno donde se desarrollan los trabajos, como de los resultados de los ensayos realizados, la forma de tratarla es a través de métodos estadísticos. El estudio se realiza sobre una formación geológica concreta en un entorno de una obra costera realizada en las costas del Golfo Pérsico. Por ello, con el fin de ubicar espacialmente el entorno en el que se realizan los trabajos, se desarrolla en primer lugar el marco geológico de la zona. Se analiza a continuación los datos de la investigación geotécnica disponible. Para ello, se propone una aproximación estadística en la que quedan reflejadas y compensadas las incertidumbres presentes en la caracterización del perfil del terreno. Se diferencia entre la aleatoriedad intrínseca del propio terreno y la dispersión introducida por el equipo de medida. A partir de la caracterización mecánica del terreno, se tratan cada uno de los problemas geotécnicos mencionados. Para la predicción del asiento de zapatas se utilizan los conocidos métodos de Burland, Schmertmann y Steinbrenner. El ajuste entre las predicciones y los resultados observados solo es posible a través de distribuciones de probabilidad, de manera que surge de forma inevitable el concepto de estimación asociado a un rango de confianza, y por tanto a la cuantificación de la incertidumbre asociada al modelo de predicción; conocido como factor del modelo. Para la predicción del asiento de pilotes sometidos a carga vertical se desarrolla un modelo de muelles, conocidos tradicionalmente en la literatura como métodos de las curvas t-z. Para la predicción de los pilotes sometidos a cargas horizontales se desarrolla un modelo basado en las curvas p-y; junto con otro basado en los módulos de balasto horizontal. Se trata por tanto de modelos clásicos para tratar este tipo de problemas. Finalmente, para el asiento de losas sobre inclusiones rígida se desarrolla un modelo conocido en la literatura como modelo de la celda unitaria, basado también en una generalización de las curvas t-z. Las herramientas estadísticas pueden utilizarse de distinta forma en el proceso de predicción. En este trabajo se utilizan las dos siguientes: - Una primera consiste en realizar un tratamiento estadístico de los resultados (deformaciones) finales, tratando los datos de entrada (parámetros geotécnicos) como variables ciertas sin corrección estadística. Los datos de entrada son tratados como una variable determinística sobre los que se aplica la formulación correspondiente. El resultado es un rango de valores a los que se puede asociar una distribución de probabilidad. Esta se compara con la función de distribución de las pruebas de carga a escala real. De manera que se valora la incertidumbre asociada a la formulación y a sus datos de entrada. - Una segunda metodología consiste en considerar que los datos de entrada (parámetros geotécnicos) son variables estadísticas. De manera que como resultado de su análisis se obtiene su función de densidad. A partir de la misma, – utilizando un método como el de Monte Carlo— se genera una población de datos de entrada tan amplia como sea precisa. Los resultados (deformaciones) se comparan a su vez con la función de distribución de las pruebas de carga a escala real. Este segundo método, denominado calculo probabilístico, ha probado ser – en este trabajo-- eficaz en la predicción de los movimientos y en su rango de certidumbre. Además de las incertidumbres relacionadas con la toma de datos y las propias del terreno, se presta en cada uno de los casos particular atención a la incertidumbre que genera el propio modelo. Se llega, incluso, a introducción en algún caso una variable aleatoria dentro del propio modelo, con el fin de generar la dispersión necesaria para que sus resultados se ajusten a los datos medidos. Se trata por tanto de una forma de considerar el factor del modelo – definido en normativas como los Eurocódigos—aplicado a la estimación de deformaciones. En resumen, esta tesis doctoral es un ejercicio de reflexión sobre la incertidumbre de las predicciones en el campo de la geotecnia, que trata de promocionar los métodos probabilísticos y las estimaciones con rangos de confianza, como el modo más honesto de aproximarse a este tipo de problemas. Los campos de investigación que se abren a partir de este trabajo son amplios; i.e. otras circunstancias geológicas, otros ensayos de investigación, otras tipologías de cimentación, etc. Si bien todas encuadradas en este esfuerzo por incorporar los procedimientos estadísticos al análisis de datos y a las predicciones geotécnicas. ----------ABSTRACT---------- The uncertainty surrounding predictions in geotechnical problems is nowadays a transcendent issue for all agents involved in the design and quality control of new civil engineering infrastructure and buildings. For this PhD thesis, four problems have been chosen to develop the concept of geotechnical reliability from a practical point of view. The cases dealt with are: shallow foundation settlement, settlement of isolate piles, deflection of laterally loaded piles, and settlement of foundation slab supported by consolidated soil with rigid inclusions. All of them in a very homogeneous and wellcharacterized ground profile. The choice of these study cases is mainly due to the availability of complete data base of real-scale load tests carried out on this formation as part of the quality control for a new develop area at the Persian Gulf coastline. Predictions obtained from classical and well-known formulations, which would usually be used during any design stage, are compared with the results of the full-scale tests. Due to the amount of information available, both the site investigation outputs and real- scale test are treated with statistical methods. The study is carried out on a specific geological formation locate on the Persian Gulf coastal line. Therefore, in order to spatially locate the environment in which the work is carried out, the geological framework of the area is firstly developed. Then, the existing site investigation information is analysed. To this end, a statistical approach is proposed in which the uncertainties present in the characterization of the ground profile are highlighted and compensated. This analysis segregates the intrinsic randomness of the soil itself and the dispersion introduced by the measurement equipment. Following this analysis, each of the geotechnical problems mentioned above are treated. The well-known methods of Burland, Schmertmann and Steinbrenner are used for shallow foundation settlement prediction. Adjustment between predictions and observed outputs is only possible through probability distributions, so that the concept of estimation associated with a confidence interval inevitably arises. Hence, model factor associated to the model uncertainty is discussed. For the prediction of isolate-pile axially-loaded settlement a model of springs is developed. This is traditionally known in literature as methods of t-z curves. For the prediction of laterally-loaded piles, two models are developed. One is based on the classical p-y curves; and a second is based on the also classical reaction modules. Finally, for the slab foundation settlement on rigid inclusions a model known in the literature as a model of the unit cell is developed. It is also based on a generalization of t-z curves. Statistical tools can be used differently in the prediction process. The following two are used in this study: - A first one consists in carrying out statistical analysis of the final outputs (settlement), treating the input data (geotechnical parameters) as deterministic variables without statistical correction. The input data are treated as a deterministic variable on which the corresponding model for deformation prediction applies. The outcomes are a set of settlement which can be associated to a probability distribution function, which can be compared to the real-scale test distribution function. Hence, uncertainty associated with the model and its input data are highlighted. - A second methodology considers the input data (geotechnical parameters) to be statistical variables, defined by a probability distribution function. Then, – using a method such as Monte Carlo – a virtual input data population is generated, which is applied to the model to obtain the deformations. The outcomes (settlements) are then compared to the real-scale load test distribution function. This second method, called probabilistic calculation, has proven to be – in this work – very effective in predicting movements and their distribution. In addition to the uncertainties related to data collection and intrinsic soil properties, particular attention is paid in each case to the uncertainty generated by the model itself. Even in some cases, it comes to introduce a random variable within the model itself, to generate the dispersion necessary for its outcomes to fit the real-scale measured data. Therefore, it is a way of considering the model factor – defined in regulations such as Eurocodes – applied to the movement predictions. In summary, this PhD thesis is an exercise on reflection about reliability of settlement prediction for geotechnical engineering, which seeks to promote probabilistic methods as the most honest way to approach such problems. Research areas opened from this work are massive, i.e., different geological conditions, information from other data bases, other types of foundation and failure modes, etc. But all of them will be within this effort of quantify structural reliability associated with geotechnical predictions