Simulación numérica del comportamiento tenso-deformacional de muestras de granito naturales y artificialmente fisuradas mediante el código de partículas PFC3D

Abstract

La mecánica de rocas es la rama de la tecnología que estudia el comportamiento de las rocas y macizos rocosos de cara a su utilización en el ámbito de varias actividades humanas. En los primeros estadios de su desarrollo en las décadas de los 60 a los 80 del siglo XX se realizaron múltiples estudios de laboratorio y analíticos para entender su respuesta tenso-deformacional en una serie de situaciones típicas de su aprovechamiento humano (túneles, taludes, cimentaciones). Desde los años 80 del pasado siglo, se comenzaron a desarrollar códigos numéricos cada vez más potentes capaces de simular de manera más realista el comportamiento de estos materiales naturales. En este marco, esta tesis contribuye a avanzar en el conocimiento utilizando códigos de elementos discretos de partícula, aparecidos en el mercado hace unos diez años, para simular el comportamiento tenso-deformacional de probetas de granito intactas y pre-fisuradas en laboratorio incluyendo las fases elástica, de rotura y post-rotura, tratándose de uno de los primeros intentos en los que se lleva a cabo este tipo de análisis considerando la post-rotura. Para ello, y tras encuadrar el papel de los modelos numéricos en el ámbito de la mecánica de rocas y la ingeniería de los macizos rocosos, se presentan, en primer lugar, los desarrollos de simulación de modelos de partícula aplicados a distintos problemas de mecánica de rocas desde modelos de probetas hasta aplicaciones a escala de obra. Posteriormente se presentan los resultados de laboratorio de ensayos de resistencia a compresión simple y triaxial tenso-deformacionales de probetas de granito intactas y fisuradas que sirven como referencia de las simulaciones a realizar. Tras introducir el código de elementos discretos de partícula PFC3D, el procedimiento básico de realización de simulaciones y los algoritmos de creación de modelos de partículas enlazadas, o Bonded-Particle Models (BPM), se pasa a la simulación de los ensayos de laboratorio. En primer lugar se realizan simulaciones de las probetas de roca intacta comenzando con modelos de contacto sencillo (de enlace paralelo o parallel-bond), que en general no dieron buenos resultados, y pasando a modelos más avanzados (tipo junta plana o flat-joint) que produjeron, partiendo de unos parámetros micro-mecánicos estimados, mejores resultados. Mediante un proceso de análisis de sensibilidad en el que se cuantificó la influencia de los parámetros micro-mecánico, se seleccionaron finalmente unos parámetros que permitieron obtener un buen ajuste de la respuesta elástica y resistente de las probetas y en cierta menor medida del comportamiento post-rotura de las probetas en relación a las observaciones de laboratorio. Finalmente, y basándose en los parámetros de la roca intacta, se prepararon modelos de las probetas de roca pre-fisuradas incluyendo las fisuras en los modelos en forma de contactos tipo "junta suave" o smooth-joint y se realizaron modelos de probetas con 1+2 y 2+3 fisuras en paralelo con los ensayos de laboratorio. Tanto el comportamiento elástico como los niveles de resistencia derivados de los modelos se ajustan de manera muy aproximada a la respuesta de las muestras en laboratorio. En cuanto el comportamiento post-rotura, los modelos son capaces de reproducir las tendencias de disminución de la dilatancia con el confinamiento y con el nivel de plastificación sufrido por la muestra, aunque los valores obtenidos indican mayor dilatancia que la observada, lo que se atribuye a la dificultad para simular algunos fenómenos complejos del comportamiento de la roca, en particular, las roturas en esquinas de la muestras y formación de polvo de roca e interacciones entre bandas de cortante o grietas de tracción de nueva formación y fisuras prexistentes. En conclusión, se ha avanzado de manera importante hacia la realización de modelos realistas de probetas intactas y fisuradas en laboratorio con un buen ajuste (matching) de las propiedades de elasticidad y resistencia, las más relevantes para muchos casos prácticos en mecánica de rocas (túneles, taludes) cuando el principal objetivo es evitar la rotura. Además, se han identificado tendencias de parámetros y, por primera vez, se ha reportado en detalle resultados de post-rotura para una amplia gama de condiciones reales (muestras intactas y fisuradas para una gama amplia de confinamientos), todo lo cual supone un pequeño avance del conocimiento sobre la simulación de rocas mediante de códigos de partícula.

Rock mechanics is the branch of technology that studies the behavior of rocks and rock masses with the aim of being able to use these materials for different practical purposes such as mining or developing of infrastructures. In the first stages of the development of this discipline from the 60s to the 80s of the 20th century, multiple laboratory and analytical studies were carried out to understand the stress-strain response of rock specimens and rock masses for a series of situations typical of its human use (tunnels, slopes, foundations). Since the 80s of the last century, increasingly powerful numerical codes started to be developed capable of simulating more realistically the behavior of these natural materials. In this framework, this thesis contributes to advancing knowledge regarding the use of discrete particle elements codes, which appeared in the market about ten years ago. The main focus is being able to simulate in a reliable manner the stress-strain behavior of granite intact and pre-fissured specimens in the laboratory; comprehending evolving behavioral stages, which include the elastic stage, failure and post-failure. This is one of the first attempts in which this type of analysis is carried out, paying relevant attention to the post-failure response of rock specimens. In order to do that the general framework of the role of numerical models in the field of rock mechanics and engineering is introduced. Then basic simulation developments of particle models applied to different rock mechanics problems are initially presented, focusing not only intact rock response but also on rock mass behavior for large scale applications. Subsequently, the laboratory complete stress-strain response curves of triaxial compressive strength tests of intact and fissured granite specimens are presented, since they serve as the physical reference for the simulations to be performed. After introducing the discrete particle code PFC3D, the basic simulation procedures and the Bonded-Particle Models (BPM), the author proceeds to the simulation of the laboratory tests. First, simulations of intact rock specimens are carried out starting with simple contact models (parallel-bond), which did not provide good results, and going to more advanced models (flat-joint), which produced better results, based on the estimate of appropriate micro-mechanical parameters. Through a sensitivity analysis procedure, in which the influence of the micro-mechanical parameters was quantified, parameters were finally selected that allowed a good fitting of the elastic and strength response of the tested samples and, to a lesser extent, of the post-failure behavior. Finally, based on the parameters of the intact rock, models of the pre-fissured rock specimens were prepared, including fissures in the models in the form of smooth-joint type contacts. 1+2 and 2+3 jointed models were run. Results show that, both the elastic behavior and the strength levels derived from the models are very closely matched to the response of the samples in the laboratory. In what concerns the post-failure behavior, the models are able to reproduce the trends of diminution of dilation in line with confinement and plasticity evolution suffered by the sample. However, the dilation values observed indicate greater dilation than that observed in practice, which is attributed to the difficulty to simulate some complex phenomena of fissured rock behavior. In particular, rock piece corner crushing and production of rock dust and interactions between newly formed shear bands or axial splitting cracks with pre-existing joints are complex phenomena that the models does not seem able to accurate simulate. All in all, important progress has been made towards improving our present capabilities to produce realistic models of intact and jointed rock specimens in the laboratory. A very good matching of elastic and strength properties for intact and jointed rock specimens is achieved. This is convenient in that these properties are the most significant in relation to a large number of practical rock mechanics projects (tunnels, slopes), where the main aim regards avoiding failure. In addition, parameter trends have been identified and, for the first time, post-failure results have been reported in detail for a wide range of real conditions (intact and fissured samples for a wide range of confinements), all of which represent a small advance in knowledge in the field of rock and rock mass modelling by means of particle codes.