Μέθοδος απλουστευμένης τριδιάστατης αριθμητικής ανάλυσης πασσάλων υπό συνδυασμένη φόρτιση

Abstract

Despite the significant technological development during the recent years, the use of three-dimensional non-linear analysis remains a procedure of high computational cost. It is therefore an area of increased scientific interest to propose a simplified method, capable to provide kinematic information for the surrounding soil and take into account nonlinearities arising from soil and soil - pile interface behaviour. The objective of this thesis is to provide a method of simplified three-dimensional numerical analysis for piles under combined loadings. To achieve this goal one-dimensional beam elements are used for the simulation of piles while the surrounding soil is simulated using three-dimensional finite elements. Piles interact with the surrounding soil via shear and normal coupling springs. Initially, the reliability of the proposed method in evaluating the response of a single pile is investigated. For this purpose, the results of the simplified method are compared to those of the three-dimensional numerical analysis in clayey and sandy soils, for axial and lateral loading. The comparative results are quite satisfactory with the exception of a single pile under lateral loading in clayey soils, where certain restrictions should be applied. In order to define the applicability range of the proposed method under combined loading a parametric 3-D numerical analysis is carried out. The influence arising from pile head fixity and the second order phenomena were examined, while the post-peak behaviour was also considered using a strain hardening - softening constitutive law. It has been demonstrated that the pile response under lateral loading is scarcely affected by the co-existence of an axial load. On the contrary, it is revealed that the pile response under axial loading is clearly affected by the co-existence of a lateral load. In particular, the effect is negative in the case of clayey soils while in sandy soils the effect becomes positive. Since the accurate evaluation of the response of pile groups is the main objective of this thesis, numerical investigation on the validity of the simplified method is conducted. Therefore, the comparative results of the proposed method and three-dimensional analysis are initially examined in groups of piles with different configurations, in clayey and sandy soils. The accuracy achieved in assessing the response of pile groups combined with the ability to predict the different response of characteristic piles, confirm the applicability of the proposed method. In addition, the validity of the proposed method is verified with available experimental data. Further investigation in groups of piles with different raft thickness reveal the accuracy of the proposed method regardless the raft stiffness and the type of loading (uniformly distributed or concentrated load). Finally, it is important to highlight that the simplified method, besides the accuracy achieved on the evaluation of the response of pile groups, leads to significant reduction of the computational cost (simple formation of the grids, reduction of the time required for the analyses, simple estimation of bending moments and forces along the pile).

Παρά τη σημαντική τεχνολογική εξέλιξη των τελευταίων χρόνων η χρήση τριδιάστατης μη γραμμικής ανάλυσης παραμένει διαδικασία υψηλού υπολογιστικού κόστους. Αποτελεί, λοιπόν, πεδίο αυξημένου επιστημονικού ενδιαφέροντος η πρόταση απλουστευμένης μεθόδου ικανής να ενσωματώνει θέματα μη γραμμικής απόκρισης που προέρχονται από τη συμπεριφορά του εδάφους ή από τη συμπεριφορά κατά μήκος της διεπιφάνειας εδάφους - πασσάλου, δίχως όμως να επιβαρύνεται η υπολογιστική διαδικασία. Προς τη συγκεκριμένη κατεύθυνση κινείται η παρούσα διατριβή προτείνοντας απλουστευμένη μέθοδο τριδιάστατης αριθμητικής ανάλυσης. Η προτεινόμενη μεθοδολογία βασίζεται στη χρήση μονοδιάστατων στοιχείων δοκού για την προσομοίωση των πασσάλων, τα οποία αλληλεπιδρούν με το περιβάλλον έδαφος μέσω συστήματος διατμητικών και ορθών ελατηρίων, ενώ για την προσομοίωση του εδάφους χρησιμοποιούνται τριδιάστατα στοιχεία πεπερασμένων διαφορών. Αρχικά, πραγματοποιείται αριθμητική διερεύνηση της αξιοπιστίας της απλουστευμένης μεθόδου σε μεμονωμένο πάσσαλο. Για το σκοπό αυτό αξιοποιούνται τα συγκριτικά αποτελέσματα απλουστευμένης και πλήρους τριδιάστατης αριθμητικής ανάλυσης σε αργιλικούς και αμμώδεις εδαφικούς σχηματισμούς υπό την επίδραση κατακόρυφων και οριζόντιων φορτίων. Τα αποτελέσματα της συγκριτικής μελέτης είναι ιδιαίτερα ενθαρρυντικά, με την εξαίρεση των αργιλικών εδαφών υπό οριζόντια φόρτιση, όπου είναι αναγκαίο να ληφθούν υπόψη συγκεκριμένοι περιορισμοί κατά την εφαρμογή της μεθόδου. Προκειμένου να καθοριστεί επακριβώς το πεδίο εφαρμογής της απλουστευμένης μεθοδολογίας υπό συνδυασμένη φόρτιση πραγματοποιείται εκτεταμένη παραμετρική ανάλυση σε μεμονωμένο πάσσαλο. Κατά τη διερεύνηση λαμβάνονται υπόψη η επίδραση των οριακών συνθηκών στην κεφαλή των πασσάλων αλλά και των γεωμετρικών φαινομένων 2ης τάξης. Επιπρόσθετα, διερευνάται η επίδραση της κράτυνσης - χαλάρωσης του εδαφικού υλικού μετά τη διαρροή. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της παραμετρικής ανάλυσης η πλευρική απόκριση του πασσάλου σπάνια επηρεάζεται από την ταυτόχρονη παρουσία αξονικής φόρτισης. Αντιθέτως, η απόκριση του πασσάλου υπό αξονική φόρτιση επηρεάζεται από την ταυτόχρονη παρουσία οριζόντιου φορτίου. Ειδικότερα, στα αργιλικά εδάφη η επίδραση της συνδυασμένης φόρτισης είναι αρνητική, ενώ στα αμμώδη εδάφη η επίδραση αποδεικνύεται θετική. Ακολουθεί ο έλεγχος της αξιοπιστίας της προτεινόμενης μεθόδου στην πρόβλεψη της απόκρισης ομάδων πασσάλων. Για το σκοπό αυτό αξιοποιούνται τα συγκριτικά αποτελέσματα πλήρους και απλουστευμένης τριδιάστατης αριθμητικής ανάλυσης σε διαφορετικές διατάξεις ομάδων, σε αργιλικά και αμμώδη εδάφη. Το υψηλό επίπεδο ακρίβειας που επιτυγχάνεται στην πρόβλεψη της απόκρισης της ομάδας υπό οριζόντια και κατακόρυφα φορτία σε συνδυασμό με τη δυνατότητα πρόβλεψης διαφορετικής συμπεριφοράς μεταξύ των μελών, καθιστούν την προτεινόμενη μεθοδολογία ιδιαίτερα ελκυστική στον τομέα σχεδιασμού των θεμελιώσεων με πασσάλους. Η αξιοπιστία των προβλέψεων επιβεβαιώνεται και με αξιοποίηση πειραματικών δεδομένων που προέκυψαν από τη διεθνή βιβλιογραφία. Επιπρόσθετες αναλύσεις, σε ομάδες πασσάλων με κεφαλόδεσμο, καταδεικνύουν την αξιοπιστία της προτεινόμενης μεθοδολογίας ανεξαρτήτως της δυσκαμψίας της πλάκας σύνδεσης και της μορφής του επιβαλλόμενου φορτίου (συγκεντρωμένου ή ομοιόμορφα κατανεμημένου). Τέλος, είναι σημαντικό να τονιστεί πως η αξιόπιστη προσέγγιση της απόκρισης της θεμελίωσης με την προτεινόμενη μεθοδολογία συνοδεύεται από αξιοσημείωτη μείωση του υπολογιστικού κόστους, η οποία είναι έκδηλη σε όλα τα στάδια της ανάλυσης (γρήγορη και εύκολη προετοιμασία των πλεγμάτων ανάλυσης, μείωση του απαιτούμενου χρόνου των αναλύσεων και επεξεργασίας των αποτελεσμάτων).