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creators_name: Alonso Pollán, José Antonio
contributors_name: Jiménez Rodríguez, Rafael
contributors_orcid: 0000-0002-7720-2757
title: Diseño basado en técnicas de fiabilidad del tratamiento de mejora del terreno mediante columnas de grava
ispublished: unpub
subjects: geologia
subjects: construccion
abstract: El proyecto geotécnico de columnas de grava tiene todas las incertidumbres asociadas a
un proyecto geotécnico y además hay que considerar las incertidumbres inherentes a la
compleja interacción entre el terreno y la columna, la puesta en obra de los materiales y
el producto final conseguido. Este hecho es común a otros tratamientos del terreno cuyo
objetivo sea, en general, la mejora “profunda”.
Como los métodos de fiabilidad (v.gr., FORM, SORM, Monte Carlo, Simulación
Direccional) dan respuesta a la incertidumbre de forma mucho más consistente y
racional que el coeficiente de seguridad tradicional, ha surgido un interés reciente en la
aplicación de técnicas de fiabilidad a la ingeniería geotécnica. Si bien la aplicación
concreta al proyecto de técnicas de mejora del terreno no es tan extensa.
En esta Tesis se han aplicado las técnicas de fiabilidad a algunos aspectos del proyecto
de columnas de grava (estimación de asientos, tiempos de consolidación y aumento de
la capacidad portante) con el objetivo de efectuar un análisis racional del proceso de
diseño, considerando los efectos que tienen la incertidumbre y la variabilidad en la
seguridad del proyecto, es decir, en la probabilidad de fallo.
Para alcanzar este objetivo se ha utilizado un método analítico avanzado debido a
Castro y Sagaseta (2009), que mejora notablemente la predicción de las variables
involucradas en el diseño del tratamiento y su evolución temporal (consolidación).
Se ha estudiado el problema del asiento (valor y tiempo de consolidación) en el contexto
de la incertidumbre, analizando dos modos de fallo: i) el primer modo representa la
situación en la que es posible finalizar la consolidación primaria, parcial o totalmente,
del terreno mejorado antes de la ejecución de la estructura final, bien sea por un
precarga o porque la carga se pueda aplicar gradualmente sin afectar a la estructura o
instalación; y ii) por otra parte, el segundo modo de fallo implica que el terreno
mejorado se carga desde el instante inicial con la estructura definitiva o instalación y se
comprueba que el asiento final (transcurrida la consolidación primaria) sea lo
suficientemente pequeño para que pueda considerarse admisible. Para trabajar con valores realistas de los parámetros geotécnicos, los datos se han
obtenido de un terreno real mejorado con columnas de grava, consiguiendo, de esta
forma, un análisis de fiabilidad más riguroso.
La conclusión más importante, obtenida del análisis de este caso particular, es la
necesidad de precargar el terreno mejorado con columnas de grava para conseguir que
el asiento ocurra de forma anticipada antes de la aplicación de la carga correspondiente
a la estructura definitiva. De otra forma la probabilidad de fallo es muy alta, incluso
cuando el margen de seguridad determinista pudiera ser suficiente.
En lo que respecta a la capacidad portante de las columnas, existen un buen número de
métodos de cálculo y de ensayos de carga (tanto de campo como de laboratorio) que dan
predicciones dispares del valor de la capacidad última de las columnas de grava.
En las mallas indefinidas de columnas, los resultados del análisis de fiabilidad han
confirmado las consideraciones teóricas y experimentales existentes relativas a que no
se produce fallo por estabilidad, obteniéndose una probabilidad de fallo prácticamente
nula para este modo de fallo. Sin embargo, cuando se analiza, en el contexto de la
incertidumbre, la capacidad portante de pequeños grupos de columnas bajo zapatas se
ha obtenido, para un caso con unos parámetros geotécnicos típicos, que la probabilidad
de fallo es bastante alta, por encima de los umbrales normalmente admitidos para
Estados Límite Últimos.
Por último, el trabajo de recopilación sobre los métodos de cálculo y de ensayos de
carga sobre la columna aislada ha permitido generar una base de datos suficientemente
amplia como para abordar una actualización bayesiana de los métodos de cálculo de la
columna de grava aislada. El marco bayesiano de actualización ha resultado de utilidad
en la mejora de las predicciones de la capacidad última de carga de la columna,
permitiendo “actualizar” los parámetros del modelo de cálculo a medida que se
dispongan de ensayos de carga adicionales para un proyecto específico. Constituye una
herramienta valiosa para la toma de decisiones en condiciones de incertidumbre ya que
permite comparar el coste de los ensayos adicionales con el coste de una posible rotura
y , en consecuencia, decidir si es procedente efectuar dichos ensayos. The geotechnical design of stone columns has all the uncertainties associated with a
geotechnical project and those inherent to the complex interaction between the soil
and the column, the installation of the materials and the characteristics of the final (as
built) column must be considered. This is common to other soil treatments aimed, in
general, to “deep” soil improvement.
Since reliability methods (eg, FORM, SORM, Monte Carlo, Directional Simulation)
deals with uncertainty in a much more consistent and rational way than the traditional
safety factor, recent interest has arisen in the application of reliability techniques to
geotechnical engineering. But the specific application of these techniques to soil
improvement projects is not as extensive.
In this thesis reliability techniques have been applied to some aspects of stone columns
design (estimated settlements, consolidation times and increased bearing capacity) to
make a rational analysis of the design process, considering the effects of uncertainty and
variability on the safety of the project, i.e., on the probability of failure.
To achieve this goal an advanced analytical method due to Castro and Sagaseta (2009),
that significantly improves the prediction of the variables involved in the design of
treatment and its temporal evolution (consolidation), has been employed.
This thesis studies the problem of stone column settlement (amount and speed) in the
context of uncertainty, analyzing two failure modes: i) the first mode represents the
situation in which it is possible to cause primary consolidation, partial or total, of the
improved ground prior to implementation of the final structure, either by a pre-load or
because the load can be applied gradually or programmed without affecting the structure
or installation; and ii) on the other hand, the second mode implies that the improved
ground is loaded from the initial instant with the final structure or installation, expecting
that the final settlement (elapsed primary consolidation) is small enough to be
allowable. To work with realistic values of geotechnical parameters, data were obtained from a real
soil improved with stone columns, hence producing a more rigorous reliability analysis.
The most important conclusion obtained from the analysis of this particular case is the
need to preload the stone columns-improved soil to make the settlement to occur before
the application of the load corresponding to the final structure. Otherwise the
probability of failure is very high, even when the deterministic safety margin would be
sufficient.
With respect to the bearing capacity of the columns, there are numerous methods of
calculation and load tests (both for the field and the laboratory) giving different
predictions of the ultimate capacity of stone columns.
For indefinite columns grids, the results of reliability analysis confirmed the existing
theoretical and experimental considerations that no failure occurs due to the stability
failure mode, therefore resulting in a negligible probability of failure. However, when
analyzed in the context of uncertainty (for a case with typical geotechnical parameters),
results show that the probability of failure due to the bearing capacity failure mode of a
group of columns is quite high, above thresholds usually admitted for Ultimate Limit
States.
Finally, the review of calculation methods and load tests results for isolated columns,
has generated a large enough database, that allowed a subsequent Bayesian updating of
the methods for calculating the bearing capacity of isolated stone columns. The
Bayesian updating framework has been useful to improve the predictions of the
ultimate load capacity of the column, allowing to "update" the parameters of the
calculation model as additional load tests become available for a specific project.
Moreover, it is a valuable tool for decision making under uncertainty since it is possible
to compare the cost of further testing to the cost of a possible failure and therefore to
decide whether it is appropriate to perform such tests.
date: 2014
date_type: completed
id_number: 10.20868/UPM.thesis.26409
full_text_status: public
pages: 322
institution: Caminos
department: Ingenieria_Terreno
thesis_type: phd
refereed: TRUE
rights: by-nc-nd
citation:    Alonso Pollán, José Antonio  (2014).  Diseño basado en técnicas de fiabilidad del tratamiento de mejora del terreno mediante columnas de grava.  Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM) <https://oa.upm.es/view/institution/Caminos/>.   https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.26409 <https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.26409>. 
document_url: https://oa.upm.es/26409/1/Jose_Alonso_Pollan.pdf