Διερεύνηση της μη-γραμμικής συμπεριφοράς των εδαφικών υλικών με προσομοίωση του ερπυσμού

Abstract

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή καταστρώνεται ένα νέο χρονικά εξαρτημένο καταστατικό πλαίσιο συμπεριφοράς. Το καινούριο αυτό πλαίσιο θεμελιώνεται πάνω στις ελαστοπλαστικές αρχές των δομημένων γ εωυλικών ενώ παράλληλα ενσωματώνει ένα επιπλέον σύνολο δομητικών (π.χ. βελτιωμένους νόμους αποδόμησης της δομής και κινηματικής κράτυνσης της κλίσης c και της μετάθεσης d μέσω της συσσώρευσης πλαστικών παραμορφώσεων) και χρονικά εξαρτημένων χαρακτηριστικών (π.χ. την απομείωση της περιβάλλουσας αστοχίας μέσω της συσσώρευσης ερπυστικών παραμορφώσεων). Η επιτακτική ανάγκη για την διατύπωση ενός νέου καταστατικού πλαισίου συμπεριφοράς απορρέει από την ανεπάρκεια των υφιστάμενων μεθοδολογιών να προσομοιώσουν τον μηχανισμό της προοδευτικής αστοχίας σε πρανή, στηριζόμενα αποκλειστικά και μόνο σε ελαστοπλαστικά χαρακτηριστικά. Η ουσιώδης ατέλεια των ελαστοπλαστικών προσομοιωμάτων απορρέει από την αδυναμία ελέγχου του μεγέθους των πλαστικών παραμορφώσεων. Συνεπώς, δεν δύνανται να συσσωρευτούν σημαντικές ανελαστικές παραμορφώσεις που να οδηγούν στην ενεργοποίηση του μηχανισμού της προοδευτικής αστοχίας. Η ενσωμάτωση ωστόσο των ερπυστικών χαρακτηριστικών επιτρέπει την δυνατότητα ελέγχου των ανελαστικών παραμορφώσεων μέσω της ερπυστικής συνιστώσας. Αποδεικνύεται ότι είναι ο συνδυασμός των δομητικών και των ερπυστικών χαρακτηριστικών που οδηγεί στην αστοχία. Το εξιδανικευμένο προσομοίωμα θεμελιώνεται επί της κλασσικής θεωρίας πλαστικότητας των εδαφικών υλικών ολοκληρούμενη εντός του πλαισίου της θεωρίας υπερφόρτισης (Perzyna, 1962 & 1966). Τόσο ο μηχανισμός γήρανσης (που οδηγεί σε αύξηση της αντοχής λόγω της αύξησης της τάσης προστερεοποίησης) όσο και ο μηχανισμός ερπυστικής αστοχίας (που απορρέει από την απομείωση της περιβάλλουσας αντοχής) ενσωματώνονται επιτυχώς εντός των καταστατικών εξισώσεων. Το εξιδανικευμένο προσομοίωμα αξιολογείται σε αριθμητικές αναλύσεις υλικού σημείου και σε επίπεδο πεπερασμένων στοιχείων καθώς και έναντι εργαστηριακών δοκιμών. Αποδεικνύεται ότι το χρονικά εξαρτημένο καταστατικό πλαίσιο συμπεριφοράς προσομοιώνει επιτυχώς τους μηχανισμούς γήρανσης και ερπυστικής αστοχίας (μέσω της συσσώρευσης ανελαστικών παραμορφώσεων). Το προτεινόμενο εξιδανικευμένο προσομοίωμα χρησιμοποιήθηκε επιτυχώς στην πρόβλεψη του μηχανισμού προοδευτικής αστοχίας σε ένα πλήρως κορεσμένο πρανές.

The present dissertation develops a constitutive behavioral framework for structured soils with time-dependent characteristics. The model builds on previously developed models for structured soils (Kavvadas and Amorosi, 2000; Belokas and Kavvadas, 2010) and includes additional structural features (e.g. a strength envelope degradation with plastic strains) and, mainly, a complete set of time-dependent characteristics. The need for the development of this model was based on finite element analyses of slope stability which indicated that structure degradation effects could not model the onset of slope instability by a mechanism of strength reduction due to plastic strains. This deficiency was attributed to the fact that classical inviscid elastoplasticity for structured soils cannot control the magnitude of plastic strains (and thus cannot generate large-enough plastic strains to cause failure), as plastic strains are imposed by the physical problem. It was envisioned that additional time-dependent characteristics can solve this problem, as accumulation of "creep" strains could be independently controlled and reach large-enough values to cause failure. Thus, it is the combination of time-dependent characteristics and classical structure degradation which leads to the solution of "delayed" failures is slopes (but also in other geotechnical problems). The model is founded on the classical theory of elastoplasticity integrated within the overstress theory (Perzyna, 1962 & 1966). Both aging effects (leading to an increase of strength through the increase of the preconsolidation pressure) and creep induced failure (stemming from the strength envelope evolution due to creep strains) are accounted for within the definition of the governing constitutive equations. The model is evaluated through single point and element based numerical analyses and, mainly, against experimental measurements. It is established that the proposed mechanical framework can simulate accurately the underlying mechanisms associated with creep failure and aging. The developed model was used in the analysis of slope stability and the above features were successfully modeled by predicting a retrogressive slope instability mechanism triggering failure in a saturated slope.