Αριθμητική προσομοίωση πασσάλου υπό καθεστώς ρευστοποίησης και οριζόντιας εξάπλωσης του εδάφους

Abstract

The term “lateral spreading” describes the development of large horizontal ground displacements due to earthquake-induced liquefaction, in areas of gentle ground surface inclination or at small topographic irregularities (e.g. river and lake banks). Experience from recent earthquakes has shown that this phenomenon imposes considerable lateral loads to geotechnical works (quay walls, bridge piers, etc) and may lead to widely spread failures. Lateral spreading can be easily recognised by the cracks developed on the ground surface of the lateral spreading ground, forming perpendicular to the main direction of ground movement. This Thesis is focusing on the numerical investigation of lateral ground spreading and the associated loading of single piles without superstructure imposed inertia loads. The current practice regarding this problem is based on a pseudo-static solution, consisting of three independent steps: First step: In situ geotechnical investigation and estimation of liquefaction potential of the soil layers, in order to determine the thickness and the depth of the liquefiable soil layers, and the corresponding factor of safety against liquefaction. Second step: Evaluation of the ground surface displacements due to lateral spreading. The displacements are considered to decrease with the depth along the liquefied layer, according to a sinusoidal or a linear law. Third step: The pile is simulated as a beam on Winkler springs, which feature appropriately degraded static P-y curves. The displacements evaluated at the second step are then applied on the fixed end of the Winkler springs. The scope of this Thesis was to evaluate, and if necessary modify, the assumptions made for the design of a single pile against lateral spreading with the help of fully coupled dynamic numerical analyses (numerical experiments). More specifically the following questions are explored: (a) How accurately can we predict the ground surface displacement? (b) How accurately can we predict the ground displacement variation with the depth? (c) Are the degraded P-y curves used for the Winkler springs representative of the actual force-displacement law that governs this problem? (d) Despite the clearly monotonic movement of the soil downwards (or towards the free-face), the actual problem is dynamic. How accurate is the pseudo-static approach of this dynamic problem?

Ο όρος «οριζόντια εξάπλωση» περιγράφει την ανάπτυξη την ανάπτυξη μεγάλων οριζόντιων μετατοπίσεων λόγω σεισμικά επιβαλλόμενης ρευστοποίησης, σε περιοχές με μικρή κλίση ή σε κοντά σε μικρές τοπογραφικές ανωμαλίες (π.χ. ποτάμια ή όχθες λιμνών). Η εμπειρία από πρόσφατους σεισμούς έδειξε ότι αυτό το φαινόμενο προκαλεί σοβαρά οριζόντια φορτία σε γεωτεχνικά έργα (τοίχοι αντιστήριξης, πυλώνες γεφυρών, κτλ) και μπορεί να οδηγήσει σε εκτενείς αστοχίες. Η οριζόντια εξάπλωση μπορεί εύκολα να αναγνωριστεί από τις ρωγμές που αναπτύσσονται στην επιφάνεια του οριζοντίως εξαπλώμενου εδάφους, κάθετα προς την κύρια διεύθυνση κίνησης του εδάφους. Η συγκεκριμένη διατριβή επικεντρώνει στην αριθμητική διερεύνηση της οριζόντιας εξάπλωσης και στην προκαλούμενη επιβολή φορτίσεων σε μεμονωμένους πασσάλους χωρίς αδρανειακές φορτίσεις από την υπερκατασκευή. Σήμερα το πρόβλημα αυτό λύνεται με ψευδο-στατικές μεθόδους οι οποίες αποτελούνται από τρία ανεξάρτητα βήματα: Πρώτο βήμα: Επιτόπου γεωτεχνική έρευνα και εκτίμηση της πιθανότητας ρευστοποίησης των εδαφικών στρωμάτων, έτσι ώστε να καθοριστεί το πάχος και το βάθος των ρευστοποιήσιμων στρωμάτων καθώς επίσης και ο σχετικός συντελεστής ασφαλείας έναντι ρευστοποίησης. Δεύτερο βήμα: Εκτίμηση των εδαφικών μετατοπίσεων στην επιφάνεια λόγω οριζόντιας εξάπλωσης. Οι μετατοπίσεις θεωρούνται ότι μειώνονται με το βάθος του ρευστοποιημένου στρώματος, σύμφωνα με ένα ημιτονικό ή γραμμικό νόμο. Τρίτο βήμα: Ο πάσσαλος προσομοιώνεται ως μία δοκός επί ελατηρίων Winkler, τα οποία περιγράφονται από κατάλληλα απομειωμένες καμπύλες P-y. Οι μετατοπίσεις που εκτιμήθηκαν στο δεύτερο βήμα επιβάλλονται στις ελεύθερες άκρες των ελατηρίων Winkler.Σκοπός αυτής της διατριβής είναι να εκτιμήσει, και αν κριθεί απαραίτητο να αλλάξει, τις παραδοχές των μεθοδολογιών σχεδιασμού μεμονωμένων πασσάλων έναντι οριζόντιας εξάπλωσης με την βοήθεια πλήρως συζευγμένων δυναμικών αριθμητικών αναλύσεων (αριθμητικά πειράματα). Πιο συγκεκριμένα, τα παρακάτω ερωτήματα ερευνούνται: (α) Με πόσο μεγάλη ακρίβεια μπορούμε να εκτιμήσουμε τις μετατοπίσεις στην επιφάνεια του εδάφους λόγω οριζόντιας εξάπλωσης; (β) Με πόσο μεγάλη ακρίβεια μπορούμε να εκτιμήσουμε την μεταβολή αυτών των μετατοπίσεων με το βάθος; (γ) Είναι αντιπροσωπευτικές οι απομειωμένες καμπύλες P-y που χρησιμοποιούνται στα ελατήρια Winkler των πραγματικών νόμων φορτίου-μετατόπισης που κυβερνούν το πρόβλημα; (δ) Παρά την καθαρά μονοτονική μετατόπιση του εδάφους προς τα κατάντι, το πραγματικό πρόβλημα είναι δυναμικό. Πόσο ακριβής είναι λοιπόν η ψευδο-στατική αντιμετώπιση ενός καθαρά δυναμικού φαινομένου;