Αναλυτική, πειραματική και υπολογιστική διερεύνηση οπλισμένων πρανών έναντι στατικής και σεισμικής φόρτισης

Abstract

The purpose of the PhD Thesis is to investigate the behaviour of reinforced slopes with simple andcomposite geometry, due to static and seismic loading. In particular, analytical, experimental andcomputational methods were applied and a comparison of these methods was made, providing acomprehensive understating of reinforced slopes and methods itself.Concerning the analytical investigation (Part A), a new analytical solution was developed andincorporated to a methodology that was created for the design and investigation of one step andmulti step reinforces slopes due to static and seismic loading. A computer programme was created using IDE Embarcadero Delphi, based on the analytical solution and the methodology that weredeveloped. The results of the analytical solution, the methodology and the software that weredeveloped, were compared to correspondent results of computational models that were created withgeotechnical professional software tools. The results point out the advantages of multi step over onestep reinforced slopes and the effective implementation of the closed form solution (analyticalsolution) and of the software that were created. Finally, the possibility of parametric studies via thealteration of the mechanical and geometrical characteristics of the slope models was indicated.Concerning the experimental analysis (Part B), 16 reinforced slope models were build in model scale1/n and tested in the 2.2 m diameter drum geotechnical centrifuge of ETH Zurich. Optical fibresensors were successfully incorporated inside the models for the first time, introducing a newmeasuring technique for recording strains inside geotechnical models that are investigated via thecentrifuge technology. Additionally, Partical Image Velocimetry Analysis (PIV Analysis) wasperformed and the results were compared to the optical fibre measurements. Finally, computationalmodels were created via a finite element stress analysis code, in scale 1:1 and the results werecompared to correspondent experimental ones in model scale 1:n. Suggestions that were madeconcerning the construction and investigation of experimental reinforced slope models inside thegeotechnical centrifuge with the use of the above measuring techniques. Additionally, various usefulresults derived concerning the behaviour of soil and reinforcement during the increase of the g-level.Finally, a comprehensive investigation of the soil-reinforcement interaction was succesfilly made,combining experimental and computational results.

Στα πλαίσια της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής μελετήθηκε η συμπεριφορά οπλισμένων πρανώνμε απλή και σύνθετη γεωμετρία, έναντι στατικής και σεισμικής φόρτισης. Ειδικότερα,πραγματοποιήθηκε αναλυτική, πειραματική και υπολογιστική διερεύνηση οπλισμένων πρανών,καθώς και σύγκριση των αποτελεσμάτων των μεθόδων, με στόχο να προκύψει μια ολοκληρωμένηεικόνα τόσο για τις υπό μελέτη κατασκευές, όσο και για τις ίδιες τις μεθόδους που εφαρμόσθηκαν.Κατά την αναλυτική διερεύνηση (Μέρος Α’) αναπτύχθηκε νέα αναλυτική λύση, η οποία καιενσωματώθηκε σε ολοκληρωμένη μεθοδολογία, που δημιουργήθηκε για τον σχεδιασμό και την μελέτη ενιαίων οπλισμένων πρανών καθώς και πρανών με αναβαθμούς, έναντι στατικών καισεισμικών φορτίσεων. Βάσει της αναλυτικής λύσης και της μεθοδολογίας που αναπτύχθηκε,δημιουργήθηκε λογισμικό, 5000 γραμμών, σε γλώσσα προγραμματισμού Embarcadero Delphi, μεστόχο την ολοκληρωμένη μελέτη των πρανών έναντι στατικών και σεισμικών δράσεων. Τα αναλυτικάμοντέλα που μελετήθηκαν μέσω του λογισμικού που αναπτύχθηκε, συγκρίθηκαν με αντίστοιχαυπολογιστικά μοντέλα που δημιουργήθηκαν με γεωτεχνικά προγράμματα του εμπορίου. Τααποτελέσματα επισημαίνουν τα πλεονεκτήματα των βαθμιδωτών έναντι των ενιαίων οπλισμένωνπρανών, καθώς και την αποτελεσματική και γρήγορη εφαρμογή της λύσης κλειστής μορφής(αναλυτική λύση) και του λογισμικού που δημιουργήθηκαν. Τέλος αναδεικνύεται η δυνατότηταπαραμετρικών αναλύσεων, μεταβάλλοντας τα γεωμετρικά και μηχνανικά χαρακτηριστικά τωνβαθμιδωτών και ενιαίων οπλισμένων πρανών.Στην συνέχεια πραγματοποιήθηκε πειραματική διερεύνηση (Μέρος Β’), όπου και κατασκευάσθηκανσυνολικά 16 μοντέλα οπλισμένων πρανών υπό κλίμακα 1/n, τα οποία και τοποθετήθηκαν στονδιαμέτρου 2.2 m γεωτεχνικό φυγοκεντριστή του ETH Zurich. Στα μοντέλα ενσωματώθηκαν μεεπιτυχία αισθητήρες οπτικών ινών για πρώτη φορά (2008-2009), εισάγοντας μία νέα μετρητικήδιάταξη για την καταγραφή τροπών σε γεωτεχνικά μοντέλα τα οποία μελετώνται μέσω τηςτεχνολογίας των γεωτεχνικών φυγοκεντριστών. Επίσης, εφαρμόσθηκε η οπτική μέθοδοςπαρακολούθησης Particle Image Velocimetry Analysis (PIV Analysis). Τέλος, πραγματοποιήθηκευπολογιστική διερεύνηση οπλισμένων πρανών σε κλίμακα 1:1 και τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν μετα αντίστοιχα πειραματικά αποτελέσματα των φυσικών μοντέλων υπό κλίμακα 1:n. Τα αποτελέσματατης πειραματικής διερεύνησης σχετίζονται με την δημιουργία προτάσεων για την κατασκευή καιδιερεύνηση πειραματικών μοντέλων οπλισμένων πρανών σε γεωτεχνικό φυγοκεντριστή με την χρήσητων ως άνω πειραματικών διατάξεων, ενώ επίσης προέκυψαν ποικίλα και χρήσιμα συμπεράσματααπό γεωτεχνικής σκοπιάς, σχετικά με την συμπεριφορά του εδάφους και των στρώσεων οπλισμούτων πρανών, σε διάφορες θέσεις των μοντέλων, κατά την αύξηση της επιτάχυνσης της βαρύτηταςστον γεωτεχνικό φυγοκεντριστή. Τέλος σημαντική ήταν και η δυνατότητα διερεύνησης σε βάθος τηςαλληλεπίδρασης μεταξύ εδάφους και οπλισμού, συνδυάζοντας τα πειραματικά και υπολογιστικάαποτελέσματα.