Υπολογιστική προσέγγιση της ενίσχυσης της σταθερότητας ορυγμάτων με τη χρήση εδαφοηλώσεων

Abstract

This research work presents a theoretical study of methods for calculating reinforced slope excavations with passive anchors («soil nailing»). Since theoretical solutions for such systems are usually based on limit equilibrium methods, the subject of this study is to investigate the kinematic behaviour of a reinforced excavation in combination with the influence of the stiffness of nail head facing.The main objectives of the study are to improve the theoretical methods of limit equilibrium, and to make suggestions for the efficiency of passive anchors, especially in situations where flexible facings (wire mesh etc) exist in the excavation system. The research work was based on a parametric study of limit equilibrium methods and finite difference numerical methods in two and three dimensions.The mechanism of a passive anchor has been simulated with a development of a 2D model in FLAC 5. The model simulates the exact mechanism of the progressive development of the tensile loading stress of a passive anchor. The main points of the thesis are:1.A sensitivity analysis for the safety factor of reinforced slope excavations systems has been done with various types of tensile load resistance envelope. Such an approach contributes to the «soil nailing» design when used limit equilibrium methods.2.One of the main disadvantages of limit equilibrium methods is that the actual required soil movements for the development of the maximum tensile strength of passive anchors is not known. Numerical model for the detailed analysis of the progressive development of the tensile loading stress of a passive anchor has been resulted in qualitative and quantitative results, exploring also the role and the importance of facing stiffness.3.Designed diagrams show the influence of the facing stiffness to slope movements in serviceability conditions. The behaviour of facing stiffness has been examined in detailed in order to make proposals for improving limit equilibrium design.4.International literature includes design charts which connect the horizontal slope movement of the crest to the slope height. This paper proposes a more comprehensive methodology for similar design charts, taking into account the factor of safety (without / with reinforcements) of the slope, the soil modulus and facing stiffness.

Στη συγκεκριμένη ερευνητική εργασία έγινε καταρχήν προσπάθεια θεωρητικής διερεύνησης των μεθόδων υπολογισμού οπλισμένων πρανών με παθητικά αγκύρια («soil nailing»). Δεδομένου ότι, οι επιλύσεις παρόμοιων συστημάτων γίνονται στην πλειοψηφία των περιπτώσεων με μεθόδους οριακής ισορροπίας, αντικείμενο της συγκεκριμένης εργασίας αποτελεί η διερεύνηση της κινηματικής του οπλισμένου συστήματος, σε συνδυασμό με την επιρροή που έχει σε αυτή η δυσκαμψία της επένδυσης της παρειάς.Βασικοί στόχοι της εργασίας είναι αφενός η βελτίωση των υπολογιστικών προσεγγίσεων και αφετέρου η διατύπωση προτάσεων για τη βελτίωση της αποδοτικότητας των αγκυρίων, ειδικά στις περιπτώσεις όπου χρησιμοποιείται εύκαμπτη επένδυση. Η εργασία βασίσθηκε σε παραμετρικές επιλύσεις, αρχικά με βάση αναλυτικές μεθόδους οριακής ισορροπίας και στη συνέχεια με αριθμητικές μεθόδους πεπερασμένων διαφορών δύο και τριών διαστάσεων.Για την προσομοίωση του μηχανισμού λειτουργίας ενός παθητικού αγκυρίου και τη διερεύνηση των αναπτυσσόμενων εφελκυστικών δυνάμεων εσωτερικά του αγκυρίου, αναπτύχθηκε ένα μοντέλο προσομοίωσης 2D στο πρόγραμμα FLAC 5. Το μοντέλο προσομοιώνει, στην ιδεατή του μορφή, το μηχανισμό ενεργοποίησης της εφελκυστικής δύναμης ενός παθητικού αγκυρίου. Με το συγκεκριμένο αριθμητικό μοντέλο παρακολουθείται λεπτομερώς, ο συγκεκριμένος μηχανισμός λειτουργίας και αποδίδονται γραφικά, τα διαγράμματα εδαφικών μετακινήσεων, προκειμένου να αναπτυχθεί η μέγιστη εφελκυστική δύναμη του αγκυρίου.Τα κυριότερα και πρωτότυπα σημεία της διατριβής είναι τα εξής:1.Αναλύεται διεξοδικά, η επιρροή των αγκυρίων στον υπολογισμό του συντελεστή ασφάλειας, για διάφορους τύπους περιβάλλουσας της αντοχής τους. Από τις αναλύσεις προκύπτει από ποιες συνθήκες και σε ποιό βαθμό οι διαφορετικοί τύποι περιβάλλουσας επηρεάζουν την τιμή του συντελεστή ασφάλειας. Η μελέτη της σημασίας των διαφορετικών τύπων περιβάλλουσας εκτιμάται ότι βοηθάει στον αρχικό σχεδιασμό των συστημάτων «soil nailing» όταν πρόκειται να χρησιμοποιηθούν οριακές μέθοδοι ισορροπίας.2.Βασικό μειονέκτημα των μεθόδων οριακής ισορροπίας είναι το γεγονός ότι δεν είναι γνωστό το μέγεθος των απαιτούμενων σχετικών μετακινήσεων του πρανούς για την ανάπτυξη της μέγιστης εφελκυστικής δύναμης αντοχής ενός αγκυρίου, όπως αυτή δίδεται από την αντίστοιχη περιβάλλουσα αντοχής. Από την αριθμητική προσομοίωση του μηχανισμού λειτουργίας των αγκυρίων (μοντέλο προσομοίωσης) προέκυψαν ποιοτικά και ποσοτικά στοιχεία των απαιτούμενων μετακινήσεων, με ταυτόχρονη διερεύνηση του ρόλου και της σημασίας των χαρακτηριστικών της δυσκαμψίας της επένδυσης.3.Σχεδιάσθηκαν διαγράμματα των μετακινήσεων του πρανούς σε συνθήκες λειτουργικότητας, από τα οποία προκύπτει η επιρροή της δυσκαμψίας της επένδυσης. Η επιρροή της δυσκαμψίας της επένδυσης στη συμπεριφορά του συστήματος «soil nailing» αξιολογείται λεπτομερώς, και παρουσιάζονται προτάσεις βελτίωσης του σχεδιασμού με τις οποίες επιτυγχάνεται μείωση των λειτουργικών μετακινήσεων του πρανούς. 4.Στη διεθνή βιβλιογραφία περιλαμβάνονται διαγράμματα αρχικού σχεδιασμού, τα οποία συνδέουν τις οριζόντιες μετακινήσεις του πρανούς στη στέψη με το ύψος του. Στην εργασία αυτή προτείνεται μια πιο αναλυτική πληρέστερη μεθοδολογία σχεδιασμού παρόμοιων διαγραμμάτων, λαμβάνοντας υπόψη το συντελεστή ασφάλειας του άοπλου και του οπλισμένου πρανούς, το μέτρο ελαστικότητας του εδάφους και τη δυσκαμψία της επένδυσης.