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

Abstract

Στα πλαίσια της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής μελετήθηκε η συμπεριφορά οπλισμένων πρανών με 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 ολοκληρωμένη εικόνα 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 και ενσωματώθηκε σε ολοκληρωμένη μεθοδολογία, που δημιουργήθηκε για τον σχεδιασμό και την μελέτη ενιαίων οπλισμένων πρανών καθώς και πρανών με αναβαθμούς, έναντι στατικών και σεισμικών φορτίσεων. Βάσει της αναλυτικής λύσης και της μεθοδολογίας που αναπτύχθηκε, δημιουργήθηκε λογισμικό, 5000 γραμμών, σε γλώσσα προγραμματισμού Embarcadero Delphi, με στόχο την ολοκληρωμένη μελέτη των πρανών έναντι στατικών και σεισμικών δράσεων. Τα αναλυτικά μοντέλα που μελετήθηκαν μέσω του λογισμικού που αναπτύχθηκε, συγκρίθηκαν με αντίστοιχα υπολογιστικά μοντέλα που δημιουργήθηκαν με γεωτεχνικά προγράμματα του εμπορίου. Τα αποτελέσματα επισημαίνουν τα πλεονεκτήματα των βαθμιδωτών έναντι των ενιαίων οπλισμένων πρανών, καθώς και την αποτελεσματική και γρήγορη εφαρμογή της λύσης κλειστής μορφής (αναλυτική λύση) και του λογισμικού που δημιουργήθηκαν. Τέλος αναδεικνύεται η δυνατότητα παραμετρικών αναλύσεων, μεταβάλλοντας τα γεωμετρικά και μηχνανικά χαρακτηριστικά των βαθμιδωτών και ενιαίων οπλισμένων πρανών.

Στην συνέχεια πραγματοποιήθηκε πειραματική διερεύνηση (Μέρος Β’), όπου και κατασκευάσθηκαν συνολικά 16 μοντέλα οπλισμένων πρανών υπό κλίμακα 1/n, τα οποία και τοποθετήθηκαν στον διαμέτρου 2.2 m γεωτεχνικό φυγοκεντριστή του ETH Zurich. Στα μοντέλα ενσωματώθηκαν με επιτυχία αισθητήρες οπτικών ινών για πρώτη φορά (2008-2009), εισάγοντας μία νέα μετρητική διάταξη για την καταγραφή τροπών σε γεωτεχνικά μοντέλα τα οποία μελετώνται μέσω της τεχνολογίας των γεωτεχνικών φυγοκεντριστών. Επίσης, εφαρμόσθηκε η οπτική μέθοδος παρακολούθησης Particle Image Velocimetry Analysis (PIV Analysis). Τέλος, πραγματοποιήθηκε υπολογιστική διερεύνηση οπλισμένων πρανών σε κλίμακα 1:1 και τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν με τα αντίστοιχα πειραματικά αποτελέσματα των φυσικών μοντέλων υπό κλίμακα 1:n. Τα αποτελέσματα της πειραματικής διερεύνησης σχετίζονται με την δημιουργία προτάσεων για την κατασκευή και διερεύνηση πειραματικών μοντέλων οπλισμένων πρανών σε γεωτεχνικό φυγοκεντριστή με την χρήση των ως άνω πειραματικών διατάξεων, ενώ επίσης προέκυψαν ποικίλα και χρήσιμα συμπεράσματα από γεωτεχνικής σκοπιάς, σχετικά με την συμπεριφορά του εδάφους και των στρώσεων οπλισμού των πρανών, σε διάφορες θέσεις των μοντέλων, κατά την αύξηση της επιτάχυνσης της βαρύτητας στον γεωτεχνικό φυγοκεντριστή. Τέλος σημαντική ήταν και η δυνατότητα διερεύνησης σε βάθος της αλληλεπίδρασης μεταξύ εδάφους και οπλισμού, συνδυάζοντας τα πειραματικά και υπολογιστικά αποτελέσματα.

The purpose of the PhD Thesis is to investigate the behaviour of reinforced slopes with simple and composite geometry, due to static and seismic loading. In particular, analytical, experimental and computational methods were applied and a comparison of these methods was made, providing a comprehensive understating of reinforced slopes and methods itself. Concerning the analytical investigation (Part A), a new analytical solution was developed and incorporated to a methodology that was created for the design and investigation of one step and multi 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 were developed. The results of the analytical solution, the methodology and the software that were developed, were compared to correspondent results of computational models that were created with geotechnical professional software tools. The results point out the advantages of multi step over one step reinforced slopes and the effective implementation of the closed form solution (analytical solution) and of the software that were created. Finally, the possibility of parametric studies via the alteration 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 scale 1/n and tested in the 2.2 m diameter drum geotechnical centrifuge of ETH Zurich. Optical fibre sensors were successfully incorporated inside the models for the first time, introducing a new measuring technique for recording strains inside geotechnical models that are investigated via the centrifuge technology. Additionally, Partical Image Velocimetry Analysis (PIV Analysis) was performed and the results were compared to the optical fibre measurements. Finally, computational models were created via a finite element stress analysis code, in scale 1:1 and the results were compared to correspondent experimental ones in model scale 1:n. Suggestions that were made concerning the construction and investigation of experimental reinforced slope models inside the geotechnical centrifuge with the use of the above measuring techniques. Additionally, various useful results 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.