Πειραματική και αριθμητική διερεύνηση της βελτίωσης της σεισμικής απόκρισης έργων αντιστήριξης με τη χρήση μιγμάτων μικρού ειδικού βάρους στο έδαφος αντιστήριξης

Abstract

In the current thesis an experimental and analytical approach to improving the dynamic response of retaining structures using granular soil/granulated rubber mixtures as backfill material is presented. To this end, the study is divide in two subsections: as a first part the effect of the rubber content on the mechanical and dynamical properties of mixtures of volcanic materials with granulated rubber derived from recycled used tires is investigated, and as a second part the implementation of the above mixtures as backfill soil layer behind retaining structure is studied.The experimental study of the lightweight granular soil/rubber mixtures focuses on the mechanical and dynamic properties of dense (Dr≈80%-90%) saturated volcanic soil/granulated rubber mixtures in a wide range of deformations, and on the comparison with a gravelly soil/rubber mixture. Mixtures of volcanic origin (pumice) and quarry gravel, with granulated rubber at a percentage from 0% to 30% per dry weight mixtures are studied, with the ratio of the mean diameter of mixture granules, λ=D50,s/D50,r, ranged between 0.64 and 2.15.The experimental procedure of the current research was performed by using a monotonic triaxial apparatus (TRX) in order to estimate the elastic stiffness in terms of equivalent modulus, Eeq, corresponding to certain levels of axial strain, and the strength parameters (c', φ') of the mixtures in axial deformation levels up to 20%. The small-strain shear modulus (Go), the small-strain damping ratio (Do), and the influence of shear deformation on their values of the aforementioned materials, from small to medium shear strains (10-5%<γ<3∙10-1%), were investigated by using a resonant column (RC) device of free-fixed. For greater levels of shear strain (10-2%<γ<3%) a cyclic triaxial apparatus (CTRX) was used. The results of the two set of tests were combined to form the complete dynamic behavior of the examined mixtures by means of G/Go-γ-DTo curves in a wide range of strains. The CTRX apparatus was also used to perform a series of liquefaction tests (LIQ) to investigate the mixtures resistance against cycling loading.The strength of the mixtures of the current study is tested by means of monotonic triaxial testing under static load and drainage conditions (CD). The parameters examined in the monotonic triaxial loading tests are the elastic stiffness, E, the dilation angle, ψ, and the strength parameters according to the Mohr-Coulomb failure criterion of the mixtures, in relation to the mean effective confining stress, σ'm, ranging from 100kPa to 300kPa, the percentage of rubber in the mixtures, r(%), the mean grain size, D50, and the coefficient of uniformity, Cu, and the ratio of the mean diameter of mixture granules, λ=D50,s/D50,r. Based on the experimental data of the above test program some useful conclusions can be also drawn about the critical state of the examined primary materials during loading until failure, in relation to the percentage of rubber in the mixture, r(%), the envelope stress value, σ3, and the ratio of the mean diameter of mixture granules, λ=D50,s/D50,r.The dynamic response of the mixtures of the current study is tested by means of: a) resonant column testing under tortional load and undrained conditions (CU), and b) cyclic triaxial testing under strain control and undrained conditions (CU). The parameters examined in the resonant column and cycle triaxial device are the small-strain shear modulus (Go), the small-strain damping ratio (Do), the variation of the G/Go-γ-DTo curves, of the mixes in relation to the radial stress value, σ'm, ranging from 25kPa to 200kPa, the percentage of rubber in the mixtures, r(%), the mean grain size, D50, and the coefficient of uniformity, Cu, the ratio of the mean diameter of mixture granules, λ=D50,s/D50,r, the shear strain amplitude, γ, ranged from about 10-5% to 3%, and the number of loading cycles, Ncyc, for a maximum number of 10 cycles for each level of strain. The experimental data of the above test program allows for the extraction of analytical relations to estimate the small-strain shear modulus, Go, the small-strain damping ratio, Do, and the influence of shear deformation, γ, on their values, in the form of G-γ-D curves, in relation to the percentage of rubber in the mixture, r(%), the envelope stress value, σ3, and the ratio of the mean diameter of mixture granules, λ=D50,s/D50,r.Furthermore, the investigation the effect of the elastic fraction on mixtures' resistance against liquefaction is carried out by means of cyclic triaxial testing under stress control and undrained conditions (CU). The parameters examined in the cycle triaxial device are the deviatoric stress, q, the mean effective stress, p', the axial deformation, ε(%), and the excess pore water pressure ratio, ru, of the mixes in relation to the percentage of rubber in the mixtures, r(%), the mean grain size, D50, and the coefficient of uniformity, Cu, the ratio of the mean diameter of mixture granules, λ=D50,s/D50,r, and the cyclic shear stress ratio, CSR, in order to evaluate the earthquake induced liquefaction susceptibility of saturated mixes of soil/rubber mixtures.The effect of the implementation of the granular soil/rubber mixtures as backfill material on the dynamic response of retaining structures is investigated by using the finite element code ABAQUS through 2D equivalent linear analyses, that take into account the reduce of the shear modulus and the increase of the soil damping with the shear strain. The behavior of the simulated retaining structures is presumed to be elastic while all soil-wall interfaces are consider tensionless with potential for sliding. The dynamic response of the improvement material is consider to be non-linear and occurs from the experimental results based on the laboratory investigation of the present study.The main examined parameter is the type of the improved soil and it is determined by the natural properties of the solid material as well as by the percentage of the rubber content per mixture weight (0%, 10%, and 30%). The geometrical characteristics as well as the material parameters of the improved soil layer present a considerable and beneficial effect on the response of the structure. The effectiveness of the backfill counter-supported layer is of course affected by the dynamic properties of the structure and the characteristics of the input motion.

Η παρούσα διατριβή μελετά μέσα από μια πειραματική και αριθμητική προσέγγιση τη βελτίωση της σεισμικής απόκρισης έργων αντιστήριξης με εφαρμογή μιγμάτων χονδρόκοκκων εδαφών με κοκκοποιημένα ελαστικά στο έδαφος αντιστήριξης. Για τον σκοπό αυτό, η μελέτη διαιρείται σε δύο μεγάλα υποκεφάλαια: αυτό της πειραματικής διερεύνησης της επιρροής του ελαστικού κλάσματος στις μηχανικές και δυναμικές ιδιότητες μιγμάτων ηφαιστειογενών κοκκωδών υλικών με κοκκοποιημένα ελαστικά προερχόμενα από ανακυκλωμένα και επαναχρησιμοποιημένα ελαστικά αυτοκινήτων, και αυτό της αριθμητικής εφαρμογής των παραπάνω μιγμάτων ως υλικού επίχωσης τοίχων αντιστήριξης και κρηπιδότοιχων.Η πειραματική μελέτη των μιγμάτων κοκκωδών εδαφών/ελαστικών μικρού ειδικού βάρους επικεντρώνεται στη διερεύνηση των μηχανικών και δυναμικών ιδιοτήτων πυκνών (Dr≈80%-90%) πλήρως κορεσμένων μιγμάτων ηφαιστειογενών εδαφών/ελαστικών σε ένα ευρύ φάσμα παραμορφώσεων, καθώς και στη σύγκριση τους με μίγματα χαλίκων/ελαστικών. Εξετάζονται μίγματα ηφαιστειακής προέλευσης (κίσσηρη) και χαλικιών λατομείου με κοκκοποιημένα ελαστικά με ποσοστό ελαστικού από 0% έως 30% κατά βάρος ξηρού μίγματος, με τον λόγος της μέσης διαμέτρου κόκκων των δύο υλικών του μίγματος, λ=D50,s/D50,r, να κυμαίνεται μεταξύ 0.60 και 2.20.Η πειραματική διαδικασία της παρούσας έρευνας πραγματοποιήθηκε με τη χρήση μιας μονοτονικής τριαξονικής συσκευής (TRX) προκειμένου να εκτιμηθεί η ελαστική δυσκαμψία σε όρους ισοδύναμου μέτρου ελαστικότητας, Eeq, που αντιστοιχεί σε συγκεκριμένα επίπεδα αξονικής παραμόρφωσης, και παραμέτρων αντοχής (c', φ') των μειγμάτων σε επίπεδα αξονικής παραμόρφωσης μέχρι 20%. Για την εκτίμηση του αρχικού μέτρου διάτμησης (Go), του αρχικού ποσοστού απόσβεσης (Do), καθώς της εξέλιξης τους με την ανάπτυξη των διατμητικών παραμορφώσεων σε ένα εύρος μικρών έως μεσαίων τιμών διατμητικών παραμορφώσεων (10-5%<γ<3∙10-1%), χρησιμοποιήθηκε μια συσκευή στήλης συντονισμού (RC) ελεύθερου-πακτωμένου άκρου. Για μεγαλύτερα πλάτη διατμητικής παραμόρφωσης (10-2%<γ<3%) χρησιμοποιήθηκε μια συσκευή ανακυκλιζόμενης τριαξονικής φόρτισης (CTRX). Τα αποτελέσματα των δυο δοκιμών συνδυάστηκαν προκειμένου να σχηματίσουν την πλήρη δυναμική συμπεριφορά των εξεταζόμενων μιγμάτων, υπό τη μορφή καμπυλών G/Go-γ-DT, σε ένα ευρύ φάσμα διατμητικών παραμορφώσεων.Η αντοχή των μιγμάτων εδαφών/ελαστικών της παρούσας έρευνας εξετάζεται με δοκιμές τριαξονικής φόρτισης υπό στραγγιζόμενες συνθήκες (CD). Οι παράμετροι που εξετάστηκαν στις δοκιμές μονοτονικής τριαξονικής φόρτισης είναι το μέτρο ελαστικότητας, E, η γωνία διαστολής, ψ, οι παράμετροι αντοχής σύμφωνα με το κριτήριο αστοχίας Mohr-Coulomb σε σχέση με τη μέση ενεργό τάση, σ'm, που κυμαίνεται από 100kPa έως 300kPa, το ποσοστό του περιεχόμενου ελαστικού στα μίγματα, r(%), το μέσο μέγεθος των κόκκων, D50, τον συντελεστή ομοιομορφίας, Cu, και τον λόγο της μέσης διαμέτρου των κόκκων των δύο υλικών του μίγματος, λ=D50,s/D50,r. Βάσει των πειραματικών δεδομένων του παραπάνω προγράμματος δοκιμών μπορούν να εξαχθούν χρήσιμα συμπεράσματα σχετικά με την κρίσιμη κατάσταση των εξεταζόμενων πρωτογενών υλικών κατά τη διάρκεια της φόρτισης μέχρι το σημείο της αστοχίας τους σε σχέση με το περιεχόμενο ποσοστό σε ελαστικό, r(%), την τιμή της μέσης ενεργού τάσης, σ'3, κα της αναλογίας της μέσης διαμέτρου των κόκκων του μίγματος, λ=D50,s/D50,r.Η δυναμική απόκριση των μιγμάτων εδαφών/ελαστικών της παρούσας έρευνας εξετάζεται με: α) δοκιμές στήλης συντονισμού στρεπτικής φόρτισης υπό αστράγγιστες συνθήκες (CU), και β) δοκιμές ανακυκλιζόμενης τριαξονικής φόρτισης υπό στραγγιζόμενες συνθήκες (CU) ελεγχόμενης παραμόρφωσης. Οι παράμετροι που εξετάστηκαν στις δοκιμές στήλης συντονισμού και ανακυκλιζόμενης τριαξονικής φόρτισης είναι το αρχικό μέτρο διάτμησης (Go), το αρχικό ποσοστό απόσβεσης (Do), η μεταβολή των καμπυλών G/Go-γ-DTo των μιγμάτων σε σχέση με τη μέση ενεργό τάση, σ'm, που κυμαίνεται από 25kPa έως 200kPa, το ποσοστό του περιεχόμενου ελαστικού στα μίγματα, r(%), το μέσο μέγεθος των κόκκων, D50, τον συντελεστή ομοιομορφίας, Cu, τον λόγο της μέσης διαμέτρου των κόκκων των δύο υλικών του μίγματος, λ=D50,s/D50,r, το πλάτος της διατμητικής παραμόρφωσης, γ, που κυμαίνεται από 10-5% έως 3%, και τον αριθμό των κύκλων φόρτισης, Ncyc, για μέγιστο αριθμό 10 κύκλων φόρτισης σε κάθε επίπεδο παραμόρφωσης. Τα πειραματικά αποτελέσματα του παραπάνω προγράμματος δοκιμών επιτρέπουν την εξαγωγή αναλυτικών σχέσεων εκτίμησης του δυναμικού μέτρου διάτμησης, Go, του δυναμικού ποσοστού απόσβεσης, Do, καθώς και της επιρροής της διατμητικής παραμόρφωσης (καμπύλες G-γ-D) σε σχέση με το περιεχόμενο ποσοστό σε ελαστικό, r(%), την τιμή της μέσης ενεργού τάσης, σ'3, κα της αναλογίας της μέσης διαμέτρου των κόκκων του μίγματος, λ=D50,s/D50,r.Η επιρροή της εφαρμογής των μιγμάτων χονδρόκοκκων εδαφών με κοκκοποιημένα ελαστικά ως υλικού επίχωσης στη δυναμική απόκριση έργων αντιστήριξης μελετάται μέσα από μια σειρά δισδιάστατων ισοδύναμων αναλύσεων με τη βοήθεια πεπερασμένων στοιχείων επίπεδης παραμόρφωσης με τη χρήση του κώδικα ABAQUS (v.6.12), λαμβάνοντας υπόψη την απομείωση του μέτρου διάτμησης και την ενίσχυση του ποσοστού απόσβεσης με την αύξηση της διατμητικής παραμόρφωσης. Η απόκριση της κατασκευής θεωρείται ελαστική ενώ όλες οι διεπιφάνειες μεταξύ εδάφους και τοίχου επιτρέπουν την ολίσθηση και την αποκόλληση. Η δυναμική απόκριση του υλικού βελτίωσης θεωρείται μη-γραμμική και προκύπτει από τα πειραματικά αποτελέσματα της πειραματικής έρευνας της παρούσας διατριβής.Η βασική εξεταζόμενη παράμετρος είναι το είδος του βελτιωμένου εδάφους αντιστήριξης και προσδιορίζεται από τις φυσικές ιδιότητες του στερεού εδαφικού υλικού και το ποσοστό του περιεχόμενου ελαστικού κατά βάρος ξηρού μίγματος (0%, 10% και 30%) στη μάζα της αντιστηριζόμενης στρώσης. Τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά καθώς και οι ιδιότητες των μιγμάτων εδάφους/ελαστικών φαίνεται να παρουσιάζουν σημαντικό και ευεργετικό αποτέλεσμα στην απόκριση της κατασκευής. Η αποτελεσματικότητα της αντιστηριζόμενης εδαφικής στρώσης επηρεάζεται βέβαια από τα δυναμικά χαρακτηριστικά της κατασκευής όπως και από τα συχνοτικό περιεχόμενο της διέγερσης.