Ανάπτυξη αριθμητικού αλγορίθμου δυναμικής ελαστοπλαστικής ανάλυσης γεωτεχνικών κατασκευών σε δύο (2) και τρεις (3) διαστάσεις

Abstract

The scope of the present Thesis is to develop an analytical methodology for the performance-based design of strip and rectangular surface foundations, resting on liquefaction susceptible subsoil. Similar to what is customarily required for tire static design of such foundations, the methodology will allow for the computation of earthquake induced settlements, as well as static (post-seismic) bearing capacity degradation. As indicated by numerous case studies, building a footing directly upon the surface of a liquefiable soil layer, without prior improvement or reinforcement, is clearly out of the question, since settlements will be excessive and uneven, leading to structural, as well as operational failure. However, it is possible that such a solution becomes feasible in the presence of a sufficiently thick and shear resistant non-liquefiable soil crust, between the foundation and the liquefiable subsoil. Taking this into account, the unfavorable case of a liquefiable soil profile with a cohesive (clay) crust is considered. In cases of other materials, such as dry sand, gravel or improved soil, drainage would occur through the surface layer, thus limiting the effects of subsoil liquefaction. In order to overcome the limitations of the aforementioned studies, which relied exclusively upon a single source of information (e.g. case studies, experimental results, or numerical analyses), this effort combines all the above sources: • An extensive parametric investigation is performed, with the aid of 2- and 3- dimensional numerical analyses, in order to define the mechanisms that control the foundation performance, as well as to provide a quantitative evaluation of their effect on seismic settlements and post-shaking static bearing capacity. • The numerical methodology applied for this purpose is based on an advanced elasto-plastic constitutive model, which was calibrated against a large number of laboratory experiments;-including resonant column, as well as monotonic and cyclic triaxial and simple shear tests. • A large number of centrifuge and large-scale shaking-table tests are employed, in order to verify the accuracy and efficiency of the numerical analysis algorithm, before it is used for the parametric investigation of the problem at hand. Finally, numerous case studies, published in the international literature, are re-examined, using the proposed simplified methodology, in order to assess its range of application, as well as its accuracy, against natural field conditions.

Όπως προκύπτει από τα ανωτέρω, παρά τη συνεχώς εντεινόμενη ερευνητική δραστηριότητα σχετικά με τη σεισμική απόκριση επιφανειακών θεμελιώσεων σε καθεστώς ρευστοποίησης, δεν υπάρχει σήμερα μία ολοκληρωμένη μεθοδολογία σχεδιασμού. Έτσι, σκοπός της παρούσας Διατριβής είναι η ανάπτυξη μιας τέτοιας απλοποιημένης αναλυτικής μεθοδολογίας, η οποία να λαμβάνει υπ' όψιν τόσο την απομειωμένη (μετα-σεισμική) φέρουσα ικανότητα των θεμελίων, όσο και τις αναπτυσσόμενες δυναμικές καθιζήσεις. Κρίνοντας ως μη ρεαλιστική την περίπτωση απ' ευθείας έδρασης επιφανειακής θεμελίωσης στην επιφάνεια ρευστοποιήσιμου εδαφικού σχηματισμού, χωρίς την εφαρμογή κάποιων μέτρων βελτίωσης, στην παρούσα Διατριβή εξετάζεται η περίπτωση κατά την οποία συνεκτική (αργιλική) στρώση παρεμβάλλεται μεταξύ της θεμελίωσης και του ρευστοποιήσιμου εδάφους. Στην περίπτωση αντίστοιχης στρώσης από μη συνεκτικό έδαφος (π.χ. ξηρή άμμος, χάλικες, κ.τ.λ.), θα υπήρχε η δυνατότητα κατακόρυφης στράγγισης και αποτόνωσης των αναπτυσσόμενων υπερπιέσεων πόρων λόγω σεισμού, που θα ήταν ευμενής για την απόκριση του θεμελίου. Προκειμένου να ξεπεραστούν οι δυσκολίες των προηγούμενων ερευνών, οι οποίες βασίζονταν σε μία μόνο πηγή δεδομένων (ιστορικά περιστατικά, πειραματικά αποτελέσματα, ή αριθμητικές αναλύσεις), έγινε προσπάθεια συνδυασμού όλων των παραπάνω μεθόδων, και συγκεκριμένα: • Πραγματοποιήθηκε εκτενής παραμετρική διερεύνηση, με 2-διάστατες και 3-διάστατες αριθμητικές αναλύσεις. • Στις αριθμητικές αναλύσεις χρησιμοποιήθηκε ένα εξειδικευμένο καταστατικό προσομοίωμα, οι παράμετροι του οποίου έχουν επιλεγεί βάσει συγκρίσεων με αποτελέσματα από μεγάλο αριθμό εργαστηριακών δοκιμών. • Πριν την εφαρμογή της αριθμητικής μεθοδολογίας για την πραγματοποίηση των παραμετρικών αναλύσεων, η ακρίβειά της αξιολογήθηκε έναντι αποτελεσμάτων από πειράματα φυγοκεντριστή και σεισμικής τράπεζας. • Τέλος, μετά από επεξεργασία των αριθμητικών αποτελεσμάτων, αναπτύχθηκε μία αναλυτική μεθοδολογία σχεδιασμού, η οποία ελέγχθηκε έναντι σημαντικού αριθμού δεδομένων από ιστορικά περιστατικά.