Προσομοίωση της μηχανικής συμπεριφοράς δομημένων και ανισότροπων εδαφικών υλικών

Abstract

This dissertation studies the mathematical modelling of the mechanical behaviour of structured geomaterials, aiming primarily to the development of a new elastoplastic constitutive model. This model is applied to experimental results and is implemented to the finite elements code ABAQUS. The mechanical behaviour of a geomaterial depends on the current state (stress state and specific volume) and the structure (stress history and bonding). Bonding results in increased stiffness, strength and dilatancy and under special occasions in collapsible behaviour. Bonding is defined as any process that leads to an increased interparticle resistance compared to the one that stress history justifies. The anisotropy of a soil is a result of the combined actions of stress history and bonding. Stress history and bonding can coexist or act independently. The new Intrinsic Compressibility Framework that portrays all structureless states, i.e. states where the mechanical behaviour depends on current state, is introduced. Moreover, mathematical equations that describe this framework are proposed. These are successfully applied to the experimental test results, performed during the current dissertation on the reconstituted Vallericca clay. The Unified Behavioural Framework of Geomaterials proposed next, embodies the Intrinsic Compressibility Framework and describes the structure effect on the mechanical behaviour of geomaterials, emphasizing on the anisotropy. New semi-empirical correlations of the intrinsic properties (constants of the structureless states) with respect to the index properties are presented. These correlations are based on a large number of bibliographic data collected, giving high correlation coefficients. These new correlations can be applied for the estimation of the compressibility and strength constants of the majority of the constitutive models based on Critical State Soil Mechanics (e.g. Cam - Clay). Their application on the experimental data of reconstituted Vallerica clay proved to be successful. The newly proposed constitutive Model for Structured Soils (MSS-2) is based on the Unified Behavioural Framework, is an elastoplastic - rate independent and belongs on the bounding surface kind of models with two similar yield envelopes (“bubble” type). The MSS-2 model is evaluated through: a) parametric analyses of the model constants (laboratory tests simulation at material point), b) the simulation at material point of real experimental results (monotonic loading laboratory tests at the reconstituted Vallericca clay, new tests, and at the natural Vallericca clay, tests from the dissertation of Amorosi, 1996) and c) the application of the proposed constitutive model in the finite element numerical code ABAQUS (typical laboratory tests on three dimensional mesh -static and coupled consolidation analyses). It is concluded that the constitutive Model for Structured Soils can describe simultaneously, alone or in combination the following aspects: - inelastic behaviour under monotonic and cyclic loading at any loading direction, - cyclic mobility at cyclic undrained shear, - evolution of anisotropy and decrease of bonding over increasing inelastic strain, - increased, due to bonding, stiffness, strength and dilatancy, - decrease of stiffness, strength and dilatancy due to decrease of bonding and - dependence of dilatancy from anisotropy. Suggestions and directions for future research consist of: a) possible improvement methods of the model, b) the application of the model into experimental data of other geomaterials that have different bond loss mechanisms and rates, c) the application of the model into experimental data from cyclic loading tests and d) the analysis of typical problems in geotechnical engineering by applying the model into anisotropic - bonded soils (e.g. problematic - sensitive materials).

Στην παρούσα διατριβή μελετάται η μαθηματική προσομοίωση της μηχανικής συμπεριφοράς των γεωυλικών με δομή, με κύριο στόχο την ανάπτυξη ενός νέου ελαστοπλαστικού καταστατικού προσομοιώματος. Το προσομοίωμα αυτό εφαρμόζεται σε πειραματικά δεδομένα και εισάγεται στον κώδικα πεπερασμένων στοιχείων ABAQUS. Η μηχανική συμπεριφορά ενός γεωυλικού εξαρτάται από την τρέχουσα κατάσταση (τασική κατάσταση και ειδικός όγκος) και τη δομή (ιστορία φόρτισης και δέση). Η δέση (bonding) οδηγεί σε αυξημένη στιβαρότητα (stiffness), αντοχή και διαστολικότητα (dilatancy) και υπό ειδικές συνθήκες σε καταρρεύσιμη (collapsible) συμπεριφορά. Ως δέση νοείται οποιαδήποτε διεργασία που οδηγεί σε αυξημένη διακοκκώδη αντίσταση σε σχέση με αυτή που δικαιολογεί η ιστορία φόρτισης του υλικού. Η ανισοτροπία που μπορεί να έχει το υλικό είναι αποτέλεσμα της συνδυασμένης δράσης της ιστορίας φόρτισης και της δέσης. Η ιστορία φόρτισης και η δέση μπορεί να συνυπάρχουν ή να δρουν ανεξάρτητα. Εισάγεται το νέο Πλαίσιο Εγγενούς Συμπιεστότητας (Intrinsic Compressibility Framework) που απεικονίζει όλες τις μη δομημένες καταστάσεις, δηλαδή αυτές στις οποίες η μηχανική συμπεριφορά εξαρτάται από την τρέχουσα κατάσταση. Επίσης, παράχθηκαν μαθηματικές σχέσεις που περιγράφουν το πλαίσιο αυτό, οι οποίες εφαρμόστηκαν επιτυχώς στις εργαστηριακές δοκιμές σε αναζυμωμένη άργιλο Vallericca που εκτελέστηκαν για τις ανάγκες της παρούσας διατριβής. Το Ενοποιημένο Πλαίσιο Συμπεριφοράς των Γεωυλικών που προτείνεται στη συνέχεια, ενσωματώνει το Πλαίσιο Εγγενούς Συμπιεστότητας και περιγράφει την επίδραση στη μηχανική συμπεριφορά των γεωυλικών της δομής, δίνοντας ιδιαίτερη έμφαση στην ανισοτροπία. Παρουσιάζονται νέες ημιεμπειρικές συσχετίσεις των εγγενών ιδιοτήτων (intrinsic properties, σταθερές των μη δομημένων καταστάσεων) ως προς τα φυσικά χαρακτηριστικά, οι οποίες προέκυψαν από ένα μεγάλο αριθμό δεδομένων που συλλέχθηκαν από τη διεθνή βιβλιογραφία, δίνοντας υψηλούς συντελεστές συσχέτισης. Οι νέες συσχετίσεις μπορούν να εφαρμοστούν για την εκτίμηση των σταθερών συμπιεστότητας και αντοχής των περισσότερων προσομοιωμάτων που στηρίζονται στην Εδαφομηχανική Κρίσιμης Κατάστασης (π.χ. Cam - Clay). Η εφαρμογή τους στα πειραματικά δεδομένα της αναζυμωμένης αργίλου Vallericca ήταν επιτυχής. Το νέο καταστατικό Προσομοίωμα Εδαφών με Δομή (MSS-2) που προτείνεται, βασίζεται στο Ενοποιημένο Πλαίσιο Συμπεριφοράς, είναι ελαστοπλαστικό - ανεξάρτητο του ρυθμού επιβολής του φορτίου και ανήκει στην κατηγορία των προσομοιωμάτων οριακής περιβάλλουσας με δύο όμοιες περιβάλλουσες διαρροής (τύπου «φυσαλίδας»). To MSS-2 προσομοίωμα αξιολογείται μέσα από: α) παραμετρικές αναλύσεις των σταθερών του προσομοιώματος (προσομοιώσεις εργαστηριακών δοκιμών σε υλικό σημείο), β) την προσομοίωση σε υλικό σημείο πραγματικών πειραματικών δεδομένων (εργαστηριακές δοκιμές μονοτονικής φόρτισης στην αναζυμωμένη άργιλο Vallericca, νέες δοκιμές, και στη φυσική άργιλο Vallericca, δοκιμές διατριβής Amorosi, 1996) και γ) την εφαρμογή του προτεινόμενου καταστατικού προσομοιώματος στον αριθμητικό κώδικα πεπερασμένων στοιχείων ABAQUS (τυπικές εργαστηριακές δοκιμές σε τρισδιάστατο φορέα - στατικές αναλύσεις και αναλύσεις συζευγμένης στερεοποίησης). Προκύπτει πως το καταστατικό Προσομοίωμα Εδαφών με Δομή μπορεί να περιγράφει ταυτόχρονα, μεμονωμένα ή σε συνδυασμό τα εξής στοιχεία: - ανελαστική συμπεριφορά υπό μονοτονική και ανακυκλική φόρτιση για οποιαδήποτε διεύθυνση φόρτισης, - ανακυκλική κινητικότητα σε ανακυκλική αστράγγιστη διάτμηση, - μεταβολή της ανισοτροπίας και απομείωση της δέσης αυξανομένης της ανελαστικής παραμόρφωσης, - αυξημένες λόγω δέσης στιβαρότητα, αντοχή και διαστολικότητα, - απομείωση της στιβαρότητας, αντοχής και διαστολικότητας λόγω απώλειας δέσης και - εξάρτηση της διαστολικότητας από την ανισοτροπία. Οι προτάσεις και κατευθύνσεις για μελλοντική έρευνα περιλαμβάνουν: α) πιθανούς τρόπους βελτίωσης του προσομοιώματος, β) την εφαρμογή του προσομοιώματος σε πειραματικά δεδομένα και άλλων γεωυλικών με διαφορετικούς μηχανισμούς και ρυθμούς απώλειας δέσης, γ) την εφαρμογή του προσομοιώματος σε πειραματικά δεδομένα ανακυκλικής φόρτισης και δ) την επίλυση τυπικών προβλημάτων γεωτεχνικής μηχανικής με εφαρμογή του προσομοιώματος σε ανισότροπα εδάφη με δέση (π.χ. σε προβληματικά - ευαίσθητα υλικά).