RESUMEN
Las arenas cementadas son muy comunes en sistemas naturales y artificiales, desde suelos biocementados hasta areniscas, donde la unión entre partículas desempeña un papel fundamental en el comportamiento mecánico. Modelar con precisión la influencia de la cementación en la deformación y la rotura sigue siendo un reto debido al complejo acoplamiento entre la estructura granular y las características de la cementación a escala de partícula. Esta tesis establece un marco numérico integral basado en el Método de Elementos Discretos (DEM) para modelar arenas débil y fuertemente cementadas, integrando desarrollos numéricos, modelización micromecánica y validación experimental.
Siguiendo una filosofía de modelización que avanza de lo simple a lo complejo, la arena cementada se representa como una combinación de un esqueleto de arena limpia y una cementación superpuesta. Este enfoque permite una clara separación entre las contribuciones granulares y las de la cementación, mejora la interpretabilidad física y reduce la necesidad de una calibración numérica excesiva. La investigación incluye desarrollos teóricos en la metodología DEM y estudios de aplicación que abarcan materiales granulares no cementados, débilmente cementados y fuertemente cementados, validados sistemáticamente con datos experimentales.
A nivel teórico, se propone un marco estandarizado para la generación de empaquetamientos de partículas, que formaliza explícitamente el conocimiento tácito implícito en los procedimientos empíricos. Se introduce un algoritmo denominado «Expansión de radio mejorada con servocontrol y desplazamiento aleatorio» (IRESR) para garantizar un control robusto de las tensiones y mitigar los efectos de contorno, y se desarrolla la herramienta de código abierto DEMGen para generar y caracterizar empaquetamientos de partículas representativos. Se establecen dos modelos de partículas unidas: un modelo de enlace paralelo mejorado (PBM) y un modelo de enlace paralelo con daño bilineal (PBBDM), incorporando este último el daño progresivo basado en la energía de fractura y el ablandamiento posterior al pico. Además, se desarrolla una estrategia de calibración de parámetros acelerada por aprendizaje automático (ML) para mejorar la eficiencia de la calibración sin perder precisión.
El marco se aplica a arenas sin cementación, arenas con cementación débil y arenas con cementación fuerte. Las arenas biocementadas se modelan utilizando características de la calcita obtenidas mediante microtomografía computarizada, mientras que la arenisca de Fontainebleau se simula mediante un enfoque de crecimiento excesivo de partículas basado en la física. Los resultados revelan una transición de un comportamiento dominado por el contacto a uno dominado por la unión a medida que aumenta la cementación, lo que demuestra la solidez y la aplicabilidad general del marco propuesto.
Tutores:
CANDIDATO
Chengshun Shang es doctorando en Análisis Estructural en el grupo de investigación de Mecánica Estructural y de Partículas del CIMNE. Es licenciado en Ingeniería Minera y máster en Ingeniería Geotécnica por la SDUST y la SDU (China). Su investigación se centra en los métodos numéricos basados en partículas para geomateriales cementados.