Επανεξέταση του συντελεστή ασφαλείας έναντι ρευστοποίησης σε σεισμό

Καλογεράκη, Χαρίκλεια; Zontanou, Vasiliki; Ζωντανού, Βασιλική; Kalogeraki, Charikleia

dc.contributor.author	Καλογεράκη, Χαρίκλεια	el
dc.contributor.author	Zontanou, Vasiliki	en
dc.contributor.author	Ζωντανού, Βασιλική	el
dc.contributor.author	Kalogeraki, Charikleia	en
dc.date.accessioned	2015-02-09T11:28:53Z
dc.date.available	2015-02-09T11:28:53Z
dc.date.issued	2015-02-09
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/40267
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.6093
dc.rights	Default License
dc.subject	Ρευστοποίηση	el
dc.subject	Συντελεστής ασφαλείας	el
dc.subject	Σεισμός	el
dc.subject	Εμπειρική μεθοδολογία	el
dc.subject	Αριθμητικές αναλύσεις	el
dc.subject	Seismic liquefaction	en
dc.subject	Factor of safety	en
dc.subject	Empirical methodology	en
dc.subject	Numerical analysis	en
dc.title	Επανεξέταση του συντελεστή ασφαλείας έναντι ρευστοποίησης σε σεισμό	el
dc.title	Re - evaluation of the seismic factor of safety against liquefaction	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Γεωτεχνική Σεισμική Μηχανική	el
heal.classification	Geotechnical Earthquake Engineering	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2014-10-29
heal.abstract	Η ρευστοποίηση μη συνεκτικών εδαφών αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα κεφάλαια της Γεωτεχνικής Σεισμικής Μηχανικής και η συνεχής μελέτη του φαινομένου έχει οδηγήσει στην ανάπτυξη μεθοδολογιών για την ποσοτική εκτίμηση – πρόβλεψη των αποτελεσμάτων της. Οι μεθοδολογίες αυτές εξαρτώνται στο σύνολό τους από τον συντελεστή ασφαλείας έναντι ρευστοποίησης, η τιμή του οποίου εκτιμάται ως σήμερα από τα αποτελέσματα επιτόπου γεωτεχνικών δοκιμών σύμφωνα με την εμπειρική μεθοδολογία των Youd et al. (2001). Επομένως, καθίσταται ιδιαίτερα σημαντική και αποτελεί σκοπό της παρούσας διπλωμα¬τικής εργασίας, η εκτίμηση του συντελεστή ασφάλειας που αντιστοιχεί στη δεδομένη σεισμική απόκριση ενός εδαφικού υλικού μιας αριθμητικής ανάλυσης ή ενός πειράματος, δηλαδή στις ακριβείς χρονοϊστορίες αναπτυσσόμενων διατμητικών τάσεων και υπερπίεσης πόρων και η εξέταση της συμβατότητάς του με τον εμπειρικό συντελεστή ασφάλειας. Εν συνεχεία, περιγράφονται συνοπτικά οι επιμέρους εργασίες της παρούσας διπλωματικής εργασίας και τα κύρια συμπεράσματα στα οποία κατέληξε κάθε μία από αυτές. Ι. Πειραματικές καμπύλες ρευστοποίησης Αρχικά, ερευνάται η σεισμική απόκριση πραγματικών εδαφών και προσδιορίζεται η αντοχή τους έναντι ρευστοποίησης αξιοποιώντας τα αποτελέσματα εργαστηριακών δοκιμών που έχουν δημοσιευθεί από 15 ερευνητές και αφορούν 172 σειρές πειραμάτων (Κεφάλαιο 2). - Διαπιστώνεται ότι η καμπύλη ρευστοποίησης φυσικών εδαφών μπορεί να προσεγγιστεί ικανοποιητικά με χρήση δι-παραμετρικής εξίσωσης δύναμης της μορφής : CSR = a(NL)^(-b) όπου CSR ο συντελεστής σεισμικών δράσεων και ΝL ο απαιτούμενος προς ρευστοποίηση αριθμός ομοιόμορφων κύκλων φόρτισης. - Τα αποτελέσματα των δοκιμών ομαδοποιούνται ως προς τις μεθόδους παρασκευής δοκιμίου που θεωρείται ότι προσομοιώνουν πιστότερα τη φυσική διαδικασία αποθέσεων (Air και Wet Pluviation καθώς και Moist Tamping), από τις οποίες άλλωστε προκύπτουν παρόμοιες τιμές των συντελεστών a, b. - Επιβεβαιώνεται η επίδραση της τάσης στερεοποίησης σ’v0 (η οποία και διορθώνεται σύμφωνα με τον συντελεστή Κσ) ενώ δεν προκύπτει ενιαίο συμπέρασμα για την επίδραση του ποσοστού ιλύος στην αντοχή έναντι ρευστοποίησης, εν αντιθέσει με τη σχετική πυκνότητα του δοκιμίου για αύξηση της οποίας αυξάνονται οι συντελεστές a, b. Τελικά προσδιορίζονται κοινά εύρη τιμών των συντελεστών για κάθε είδος δοκιμής (τριαξονικές δοκιμές και δοκιμές απλής διάτμησης) συναρτήσει της σχετικής πυκνότητας Dr. - Στο εύρος σχετικών πυκνοτήτων που μας ενδιαφέρει (40% < Dr < 60%) οι τιμές των συντελεστών (για δοκιμές απλής διάτμησης ) παραμένουν ουσιαστικά σταθερές και κυμαίνονται σε εύρος a = 0.30 ± 0.20 και b = 0.25 ± 0.20. Για μεγαλύτερες σχετικές πυκνότητες οι τιμές των συντελεστών καθώς και η διασπορά στα πειραματικά αποτελέσματα αυξάνονται. ΙΙ. Αριθμητικές καμπύλες ρευστοποίησης Α. Εδαφικού στοιχείου Εν συνεχεία (Κεφάλαιο 3), πραγματοποιούνται παραμετρικές αριθμητικές δοκιμές ανακυ¬κλικής διάτμησης για σχετικές πυκνότητες Dr = 40, 50, 60, 75 % και αρχική κατακόρυφη τάση σ’ν0 = 50, 100, 200 kPa, χρησιμοποιώντας το καταστατικό προσομοίωμα NTUA – Sand με τις δύο εναλλακτικές βαθμονομήσεις του (που αντιστοιχούν στα πειραματικά δεδομένα «VELACS» και «DeAlba»). Τα αποτελέσματα που προκύπτουν συγκρίνονται με τα αντίστοιχα πειραματικά και προκύπτει ότι: - Σε διπλή λογαριθμική κλίμακα, οι καμπύλες ρευστοποίησης στρέφουν τα κοίλα προς τα κάτω, αντίθετα με τα αντίστοιχα πειραματικά αποτελέσματα τα οποία παρουσιάζουν γραμμική (δι-λογαριθμική) μεταβολή. Η ανωτέρω συμπεριφορά είναι περισσότερο αισθητή στην βαθμονόμηση «VELACS». - Στο εύρος κύκλων ενδιαφέροντος (ΝL = 2 ÷ 30) οι καμπύλες ρευστοποίησης προσεγγίζονται ικανοποιητικά με εξίσωση δύναμης δύο παραμέτρων. - Διαπιστώνεται αύξηση της αντοχής σε ρευστοποίηση με αύξηση της σχετικής πυκνότητας, ενώ αντίθετα δεν παρατηρείται συστηματική επίδραση της τάσης στερεοποίησης. - Αξίζει να σημειωθεί ότι τα αποτελέσματα των αναλύσεων με κάθε μία από τις δύο βαθμονομήσεις προσομοιώνουν ικανοποιητικά τα αντίστοιχα πειραματικά και επι¬προσθέτως ότι οι συντελεστές των «αριθμητικών» καμπυλών «DeAlba» βρίσκονται εντός του προσδιορισθέντος εύρους των συνήθων πραγματικών εδαφών. Β. Εδαφικής στήλης Σε επίπεδο εδαφικού δοκιμίου – εδαφικού στοιχείου επιβάλλεται (είτε πειραματικά είτε αριθμητικά) ελεγχόμενη – σταθερή διατμητική τάση / διατμητική παραμόρφωση μέχρι τη στιγμή της ρευστοποίησης. Επομένως, η μέχρι στιγμής διερεύνηση δεν προσομοιώνει την πραγματική απόκριση εδαφικών σχηματισμών, όπου οι αντίστοιχες χρονοϊστορίες είναι εντελώς ανομοιόμορφες. Ως εκ τούτου, διερευνάται η σεισμική απόκριση μιας εδαφικής στήλης συνολικού ύψους 14m με μεταβλητό πάχος ρευστοποιήσιμης άμμου που βρίσκεται μεταξύ δύο στρώσεων αργίλου και η οποία υποβάλλεται σε αρμονική διέγερση στη βάση της. Πιο συγκεκριμένα πραγματοποιούνται παραμετρικές αριθμητικές αναλύσεις με τον κώδικα Πεπερασμένων Διαφορών FLAC για της 2 προαναφερθείσες βαθμονομήσεις και για διάφορες τιμές του πάχους και της σχετικής πυκνότητας της άμμου καθώς και της μέγιστης επιβαλλόμενης επιτάχυνσης (Κεφάλαιο 4). - Για τη βαθμονόμηση «DeAlba» η κλίση των καμπυλών ρευστοποίησης (συντελεστής b) της στήλης είναι σε καλή συμφωνία με τις αντίστοιχες τιμές του στοιχείου, ενώ διαφέρει σημαντικά για την βαθμονόμηση «VELACS». - Ο μοναδικός παράγοντας που φαίνεται να επιδρά στην μορφή των καμπυλών ρευστοποίησης είναι το πάχος της αμμώδους στρώσης καθώς για τη βαθμονόμηση «DeAlba» οι καμπύλες της στήλης μετατοπίζονται παράλληλα προς τα κάτω συγκρινόμενες με τις αντίστοιχες καμπύλες εδαφικού στοιχείου (μείωση του συντελεστή a). ΙV. Σύγκριση των δύο συντελεστών ασφαλείας Α. Εδαφικού στοιχείου Ακολούθως στο Κεφάλαιο 5, περιγράφεται η εμπειρική μεθοδολογία των Youd et al. (2001) για την εκτίμηση του συντελεστή ασφαλείας έναντι ρευστοποίησης και παράλληλα εκτιμάται ο συντελεστής ασφαλείας ως συνάρτηση του ΝL που έχει προκύψει από τις αριθμητικές αναλύσεις εδαφικού στοιχείου, του ισοδύναμου αριθμού ομοιόμορφων κύκλων φόρτισης ΝEQ και της κλίσης των αντίστοιχων καμπυλών ρευστοποίησης σύμφωνα με την ακόλουθη σχέση: FSL,num=(NL/NEQ)^b - Διαπιστώνεται ότι η χρήση του συντελεστή διόρθωσης μεγέθους σεισμού (MSF) της μεθοδολογίας των Youd et al. (2001) δεν είναι συμβατή με το εύρος b των συνήθων φυσικών εδαφών (επομένως και της βαθμονόμησης «DeAlba») και προτείνεται η χρήση ενός νέου συντελεστή MSF, ο οποίος αντιστοιχεί σε καμπύλη ρευστοποίησης με εκθέτη b = 0.3 ÷ 0.4. - Παρατηρείται σύγκλιση των δύο συντελεστών ασφαλείας και άρα συμβατότητα των δύο μεθοδολογιών, για τις αναλύσεις με χρήση της βαθμονόμησης «DeAlba», δηλαδή για τα εύρη καμπυλών ρευστοποίησης των τυπικών άμμων, και για σχετική πυκνότητα υλικού Dr ≤ 60%, δηλαδή για τις τιμές πρακτικού ενδιαφέροντος για ρευστοποίηση. - Η αιτία για τις σημαντικές αποκλίσεις που εμφανίζονται για Dr = 75% αναζητείται στην αξιοπιστία των εμπειρικών συσχετίσεων [Dr - (Ν1)60 ] και [CRR - (Ν1)60] σε μεγάλες σχετικές πυκνότητες και μεγάλο αριθμό κτύπων SPT αντίστοιχα. Με κατάλληλες τροποποιήσεις στην συμβατική – εμπειρική μεθοδολογία σύγκλιση επιτυγχάνεται και για μεγαλύτερα Dr. Β. Εδαφικής στήλης Στη συνέχεια ακολουθείται αντίστοιχη διαδικασία για τα αποτελέσματα των αριθμητικών αναλύσεων εδαφικής στήλης (Κεφάλαιο 6). Λόγω των ανομοιόμορφων χρονοϊστοριών αναπτυσσόμενων διατμητικών τάσεων, η εκτίμηση του συντελεστή σεισμικών δράσεων CSR ενέχει πλήθος αβεβαιοτήτων και επομένως επιχειρείται η μετατροπή των χρονοϊστοριών αυτών σε ισοδύναμες ομοιόμορφες φορτίσεις (Idriss and Boulanger, 2008). - Τελικά διαπιστώνεται και πάλι ικανοποιητική σύγκλιση των δύο συντελεστών για τη βαθμονόμηση «DeAlba» και για σχετική πυκνότητα υλικού Dr ≤ 60% (μετά την εφαρμογή των τροποποιήσεων που προτάθηκαν για το εδαφικό στοιχείο). - Για να επιτευχθεί σχετικά ικανοποιητική σύγκλιση και σε μεγαλύτερες σχετικές πυκνότητες χρειάζεται να τροποποιηθεί δραστικότερα η εμπειρική μεθοδολογία. - Για τη βαθμονόμηση «VELACS», της οποίας οι καμπύλες ρευστοποίησης ξεφεύγουν από το εύρος τιμών των υπολοίπων άμμων, οι αποκλίσεις είναι μεγάλες και δεν υπάρχει συμβατότητα των δύο μεθοδολογιών.	el
heal.abstract	Liquefaction of non - cohesive soils is one of the most important subjects of Geotechnical Earthquake Engineering and the constant study on this subject has led to the development of various methodologies for the quantitative evaluation - prediction of its consequences. These methodologies are related to the factor of safety against liquefaction, which is estimated via the results of in – situ tests according to the empirical methodology of Youd et al. (2001). As a result, it is extremely important, and constitutes the main purpose of this diploma thesis, to estimate the factor of safety against liquefaction, which corresponds to the seismic response of a liquefiable soil profile, as recorded during a numerical analysis or a laboratory experiment, namely to the exact time histories of the developed shear stress and excess pore pressure and to examine the compatibility with the empirically estimated one. Subsequently, a short description, along with the basic conclusions, of each topic that was examined in this thesis, is given. I. Experimental liquefaction resistance curves Initially, the interest is focused on the seismic response of real soils. The results of 172 laboratory experimental sets, which are conducted by 15 different researchers, are used in order to estimate their resistance against liquefaction (Chapter 2). - It is found that the liquefaction resistance curve of natural soils can be adequately fitted by the following 2-parameter power equation : CSR=a(NL)^(--b) where CSR is the seismic load ratio and ΝL the number of loading cycles, which are required for liquefaction. - The sample preparation techniques: “Air Pluviation“, “Wet Pluviation“ and “Moist Tamping” are regarded as the most representative for the simulation of the natural soil deposition process and, their results can be grouped together, as the same range of coefficient a and b values is predicted. - The effect of the confining pressure is confirmed (which is eliminated using the coefficient Kσ), whereas it is found that the fines content do not affect the resistance against liquefaction in a systematic way. On the contrary, an increase in the relative density is found to cause a respective increase in the value of coefficients a and b. Finally, a typical range of a and b values is defined for each kind of test (triaxial and simple shear) and is correlated to the relative density Dr . - Within the range of interest for relative densities (40% < Dr < 60%) the values of the coefficients a and b (for simple shear tests) are practically constant in the range of a = 0.30 ± 0.20 and b = 0.25 ± 0.20. For bigger relative densities, both the coefficient values and the scatter of the experimental data, increase significantly. ΙΙ. Numerical liquefaction resistance curves Α. From element-level tests Subsequently (Chapter 3), numerical simulations of cyclic simple shear tests are conducted on for relative density Dr = 40, 50, 60, 75 % with initial vertical effective stress σ’ν0 = 50, 100, 200 kPa. The constitutive model NTUA–Sand was employed in the analysis, using the 2 available calibrations, namely for the experimental data of “VELACS” and “DeAlba”. The numerically estimated liquefaction resistance curves are compared with the experimental ones and the following conclusions emerge: - Plotted in double - logarithmic axes, the resistance curves have a concave - down shape, contrary to the corresponding experimental data which follow a straight line. This difference becomes more evident at the results of “VELACS” calibration. - Within the range of interest for loading cycles (ΝL = 2 ÷ 30), the numerical resistance curves can be adequately fitted by a 2 – parameter power equation. - It is found that the resistance against liquefaction increases accordingly to the increase in relative density, whereas no systematic effect of the consolidation effective stress is observed. - The accuracy of the constitutive model in simulating the original experimental data for both the two calibrations is confirmed. It is worth pointing that the coefficients a and b of the “DeAlba” numerical curves lye in the range of the typical natural soils, as defined from the experimental data. Β. From soil column tests In element or soil-sample level, the liquefaction tests are either shear stress - or shear strain - controlled. As a result, the so far investigation cannot simulate the actual seismic response, in which the acceleration and the shear stress time-histories are completely irregular. For that reason, a soil column of 14m, which consists of a liquefiable soil layer of varying thickness located between two non-liquefiable clay layers, is considered and is subjected to a harmonic excitation on its base. More specifically, parametric numerical analyses are conducted in the finite difference code FLAC for the two available model calibrations and for different values of the liquefiable thickness, the relative density and the maximum horizontal acceleration (Chapter 4). - The slope of the resistance curve (exponent b) is in good comparison with the respective b values from the element tests only for the “DeAlba” calibration and differs significantly for “VELACS” one. - The only factor that affects the resistance curves is the thickness of the sand layer. For the “DeAlba” calibration the curves which are derived from the column response are shifted downwards in a parallel way relative to the ones from the element tests (namely a reduction of the coefficient a). ΙV. Compatibility of the two methodologies Α. Element level In Chapter 5, the empirical methodology of Youd et al. (2001) for the estimation of the factor of safety against liquefaction is described and applied in the simple shear results. In addition, an alternative value of FSL,num is estimated for the same results, as a function of the number of cycles NL, the equivalent uniform number of cycles NEQ and the slope of the respective resistance curves according to the following equation: FSL=(NL/NEQ)^b - It is found that the values of the magnitude scaling factor (MSF) of the initial methodology of Youd et al. (2001) are not compatible with the range of b values of the common natural soils (and, hence, with the “DeAlba” calibration too) and an alternative MSF coefficient is proposed, which refers to a resistance curve with b = 0.3 ÷ 0.4. - The two factors of safety seem to converge, and consequently the two methodologies are compatible, for the “DeAlba” calibration (i.e. for the resistance curves between the limits of typical sands) and for relative density Dr ≤ 60%, (namely, within the range of practical interest for liquefaction). - The reason for the significant differences for Dr = 75% is imputed to the credibility of the empirical relationships [Dr - (Ν1)60 ] and [CRR - (Ν1)60] for big relative densities and large SPT blow count respectively. Proper alterations of the conventional – empirical methodology are implemented in order to achieve convergence even for bigger Dr values. Β. System response Finally, a similar procedure is followed for the results of the numerical analysis for the soil column (Chapter 6). Due to the irregular timeseries of the developed shear stresses, the estimation of the Cyclic Stress Ratio (CSR) involves many uncertainties and, as a result, a methodology for converting these time-histories into equivalent uniform excitations has to be employed (Idriss and Boulanger, 2008). - There is, again, adequate convergence of the two safety factors for the “DeAlba” calibration and for relative densities of Dr ≤ 60% (with implementation of the proposed alterations for the soil element). - In order to achieve relatively adequate convergence for bigger Dr values, the empirical methodology needs to be modified more drastically. - For the “VELACS” calibration, in which the liquefaction resistance curves do not lie between the limits of the typical sands, the differences are big enough to be ignored and there is no compatibility between the two methodologies.	en
heal.advisorName	Μπουκοβάλας, Γεώργιος	el
heal.advisorName	Bouckovalas, George	en
heal.committeeMemberName	Παπαδημητρίου, Αχιλλέας	el
heal.committeeMemberName	Μπουκοβάλας, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Γεωργιάννου, Βασιλική	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών. Τομέας Γεωτεχνικής. Εργαστήριο Θεμελιώσεων.	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	182 σ.
heal.fullTextAvailability	true