Στατικά και σεισμικά πεδία παραμορφώσεων σε φυσικά μοντέλα με χρήση της μεθόδου P.I.V.

Abstract

Αντικείμενο της παρούσης διπλωματικής εργασίας είναι η παρουσίαση των πειραμάτων που διεξήχθησαν στο Εργαστήριο Γεωτεχνικής Μηχανικής της Σχολής των Αγρονόμων και Τοπογράφων Μηχανικών του Εθνικού Μετσοβίου Πολυτεχνείου με στόχο την φωτογραμμετρική ανάλυση της αστοχίας άοπλων και οπλισμένων πρανών σε στατική και σεισμική φόρτιση. Πρόκειται για μια σειρά πειραμάτων με εδαφικά μοντέλα ξηρά πρανή ύψους 10cm. Τα πειράματα σε στατική φόρτιση περιλάμβαναν δοκίμιο από άμμο το οποίο αντιστηριζόταν από κατακόρυφο τοίχο αντιστήριξης και η αστοχία επερχόταν με τεχνητό τρόπο (με περιστροφή του τοίχου περί τη βάση του). Τα πειράματα με σεισμική φόρτιση περιλάμβαναν άοπλα πρανή με κεκλιμένη επιφάνεια, κατακόρυφα πρανή αντιστηριζόμενα με τοίχο αντιστήριξης και οπλισμένα κεκλιμένα πρανή. Οι σεισμικές φορτίσεις που επιβλήθηκαν σε αυτά τα πρανή ήταν σε ποσοστό επιτάχυνσης της βαρύτητας 0.24g και 0.36g. Συγκεκριμένα στο πρώτο κεφάλαιο της παρούσης εργασίας γίνεται ανάλυση της μεθόδου P.I.V. (Particle Image Velocimetry). Είναι μια μέθοδος μέτρησης μετακινήσεων βασισμένη στην ανάλυση της κίνησης συγκεκριμένων σωματιδίων και στην φωτογραμμετρία κοντινής ανάλυσης που επιτυγχάνει υψηλής ακρίβειας αποτελέσματα στις μετρήσεις των μετακινήσεων. Στο δεύτερο κεφάλαιο της εργασίας παραθέτονται θεωρητικά στοιχεία για την ανάλυση της ευστάθειας των πρανών. Αναλύονται οι σχέσεις κλίμακας μοντέλου – πρωτοτύπου, περιγράφεται η λειτουργία των γεωτεχνικών φυγοκεντριστών, γίνεται η ανάλυση της ευστάθειας πρανών υπό σεισμικές φορτίσεις και τέλος αναφέρονται στοιχεία για την οπλισμένη γη. Στη συνέχεια στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται περιγραφή των πειραμάτων που διεξήχθησαν σε στατική και σεισμική φόρτιση και ανάλυση των αποτελεσμάτων που προέκυψαν από την εφαρμογή της μεθόδου P.I.V. σε αυτά. Επίσης γίνεται περιγραφή των σταδίων της μεθόδου ανάλυσης των πειραμάτων. Το τέταρτο κεφάλαιο περιλαμβάνει περιγραφή των μεθόδων ανάλυσης της ευστάθειας των πρανών για ολίσθηση σε επίπεδη και κυκλική επιφάνεια καθώς και τη μέθοδο Bishop, η οποία είναι μία από τις μεθόδους αυτές. Ακόμη γίνεται περιγραφή του προγράμματος ευστάθειας πρανών, Slide, και των δυνατοτήτων που αυτό παρέχει στο χρήστη. Επίσης γίνεται και παραμετρική ανάλυση της επίδρασης διαφόρων χαρακτηριστικών του εδάφους στην ευστάθεια του πρανούς με σεισμική φόρτιση με χρήση του προγράμματος Slide. Τέλος με χρήση του προγράμματος Slide γίνεται μια προσπάθεια μοντελοποίησης του φαινομένου της αστοχίας και υπολογιστική ανάλυση του οπλισμένου πρανούς του πειράματος του κεφαλαίου 3 . Απώτερος στόχος είναι η μελέτη πραγματικού περιστατικού, μέσω της παράθεσης θεωρητικών στοιχείων και της χρήσης εξειδικευμένου λογισμικού ώστε να παρουσιαστεί ο τρόπος με τον οποίο αντιμετωπίζονται τα φαινόμενα αστοχίας των πρανών. Το πέμπτο κεφάλαιο περιλαμβάνει την κοκκομετρική ανάλυση του υλικού που χρησιμοποιήθηκε για τα πειράματα. Περιγράφεται η διαδικασία της κοκκομετρίας και προσδιορίζεται το είδος του υλικού που χρησιμοποιήθηκε. Στο τελευταίο κεφάλαιο της εργασίας παρατίθενται τα συμπεράσματα που προέκυψαν από την πειραματική και υπολογιστική διαδικασία καθώς και τα προβλήματα που προέκυψαν κατά τη διάρκεια του πειραματικού μέρους.

The purpose of this study is to present a series of tests that were carried out in the Geotechnical Laboratory of the Rural and Surveying Engineering School of the Technical University of Athens, with main goal the photogrammetric analysis of the deformations of unreinforced and reinforced slopes under static and dynamic conditions. This study is about a series of tests which involve models of dry slopes with a height of 10cm. The static condition test involved a slope model stabilized by a vertical retaining wall and the failure was achieved artificially (by rotation of the wall about its base). The seismic condition tests involved an unreinforced slope, a slope stabilized by a vertical wall and a reinforced slope. The seismic loads that were imposed to them were equal to 0.24g and 0.36g (compared to the acceleration of gravity “g”). The first chapter describes the procedure of the P.I.V. method (Particle Image Velocimetry) which is a method of measuring the deformations based on the analysis of movement of specific particles and close range photo grammetry with high precision results. The second chapter includes the theoretical analysis of the experimental stage. The relationship between the model – prototype scale is analyzed as well as the slope stability under seismic loading. A description of the operation of the geotechnical centrifuge is been done and finally the theoretical analysis of reinforced slopes is mentioned. Then in the third chapter the static and dynamic tests are described and the analysis of the test results using the P.I.V. method. Finally, the analysis stages of the tests are described. The fourth chapter includes the analysis of slope stability and sliding on a flat, circular surface and the Bishop method of, determining the safety of slopes. In addition a description of Slide, a slope stability program is included, and the opportunities the program provides to the user. Finally, the program Slide is used to compute an analysis of the reinforced slope experiment described in Chapter 3 as well as a modelazation of the failure phenomenon. The ultimate goal is to study slope stability using test results and specialised software. The fifth chapter is about the grading analysis of the soil that was used during the experimental stage. The procedure is described and the type of material used is specified. Finally the last chapter provides the conclusions drawn from the experimental and computational process and the problems encountered during the experimentation.