Αριθμητική προσομοίωση σεισμικής απόκρισης εδαφών και αβαθών θεμελιώσεων μετά από παθητική σταθεροποίηση έναντι ρευστοποίησης

Πανάγου, Ηλιάνα; Σιάμπου, Διονυσία; Panagou, Iliana; Siampou, Dionysia

dc.contributor.author	Πανάγου, Ηλιάνα	el
dc.contributor.author	Σιάμπου, Διονυσία	el
dc.contributor.author	Panagou, Iliana	en
dc.contributor.author	Siampou, Dionysia	en
dc.date.accessioned	2016-03-02T14:25:50Z
dc.date.available	2016-03-02T14:25:50Z
dc.date.issued	2016-03-02
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/42088
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.10735
dc.rights	Default License
dc.subject	Κολλοειδής πυριτία	el
dc.subject	Παθητική σταθεροποίηση	el
dc.subject	Ρευστοποίηση	el
dc.subject	Αριθμητική προσομοίωση	el
dc.subject	Σεισμοί	el
dc.subject	Colloidal silica	en
dc.subject	Passive stabilization	el
dc.subject	Earthquakes	el
dc.subject	Numerical simulation	el
dc.subject	Liquefaction	el
dc.title	Αριθμητική προσομοίωση σεισμικής απόκρισης εδαφών και αβαθών θεμελιώσεων μετά από παθητική σταθεροποίηση έναντι ρευστοποίησης	el
dc.title	Numerical simulation of the seismic response of soils and shallow foundations after passive stabilization against liquefaction	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Εδαφοδυναμική	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2015-10-26
heal.abstract	Σε θέσεις υφιστάμενων κατασκευών, η χρήση των πλέον διαδεδομένων μεθόδων αποτροπής της σεισμικής ρευστοποίησης είναι είτε δυσχερής ή αδύνατη (π.χ. δονητική αντικατάσταση). Σε τέτοιες θέσεις, οι συνήθως εφαρμοζόμενες μέθοδοι (μικροπάσσαλοι, ενέματα υψηλού ιξώδους, προκατασκευασμένα στραγγιστήρια) δεν αποτρέπουν τη ρευστοποίηση σε όλη την κάτοψη (λόγω αδυναμίας πρόσβασης του εξοπλισμού) και ενδέχεται να δημιουργήσουν δομικά προβλήματα (π.χ. ανασήκωμα θεμελίων). Μια εναλλακτική μέθοδος βελτίωσης του εδάφους χωρίς τα ανωτέρω μειονεκτήματα είναι η παθητική σταθεροποίηση. Πρόκειται για την αργή εισπίεση κολλοειδούς πυριτίας (ενός υδατικού διαλύματος νανο-σωματιδίων πυριτίου SiO2) που χαρακτηρίζεται από αρχικώς χαμηλό ιξώδες (που επιτρέπει την ευχερή διήθησή του), που όμως αυξάνει ραγδαία μετά από ελεγχόμενο χρόνο (όταν φθάσει στην επιθυμητή θέση θεμελίωσης). Η αύξηση του ιξώδους μετατρέπει το υγρό πόρων του ρευστοποιήσιμου εδάφους σε γέλη, και η εν λόγω γέλη καθιστά το σταθεροποιημένο (πλέον) έδαφος πιο δύστμητο και λιγότερο συστολικό, με αποτέλεσμα τη μη-συσσώρευση μεγάλων παραμορφώσεων υπό ανακυκλική διάτμηση που σχετίζονται με τη ρευστοποίηση. Η μηχανική συμπεριφορά των σταθεροποιημένων εδαφών έχει αποτελέσει διεθνές αντικείμενο έρευνας μόλις τα τελευταία 15 χρόνια. Η έρευνα αυτή έως τώρα είναι σχεδόν αποκλειστικά πειραματικής φύσης. Ωστόσο, η εφαρμογή της νέας μεθόδου βελτίωσης εδαφών στην πράξη χρειάζεται επιπλέον και μια μεθοδολογία αριθμητική προσομοίωση της σεισμικής συμπεριφοράς του σταθεροποιημένου εδάφους, με απώτερο σκοπό τη χρήση της για το σχεδιασμό έργων Πολιτικού Μηχανικού. Στόχος της παρούσας εργασίας λοιπόν είναι η κατοχύρωση και η διακρίβωση αξιοπιστίας μιας τέτοιας αριθμητικής μεθοδολογίας, βασιζόμενη σε συγκρίσεις με πειραματικές μετρήσεις σε επίπεδο εδαφικού στοιχείου και σε προβλήματα συνοριακών τιμών. Ελλείψει εξειδικευμένου καταστατικού προσομοιώματος για σταθεροποιημένες άμμους, επιχειρείται εναλλακτικά η «ευφυής» χρήση ενός σοφιστευμένου προσομοιώματος κρίσιμης κατάστασης NTUA-SAND, που έχει αποδείξει την ικανότητά του να περιγράφει επακριβώς τη μονοτονική και ανακυκλική συμπεριφορά αμμωδών εδαφών. Η «ευφυής» χρήση συνίσταται στην εκτέλεση συζευγμένων δυναμικών αναλύσεων χρησιμοποιώντας τη μέθοδο των πεπερασμένων διαφορών, διερευνώντας δύο (2) βασικές οδούς προσομοίωσης: (α) την αναβαθμονόμηση των σταθερών του προσομοιώματος για τον εδαφικό σκελετό (αποδίδοντας την πιο δύστμητη και λιγότερο συστολική συμπεριφορά) και (β) τη μείωση του μέτρου συμπίεσης K του υγρού των πόρων, συγκριτικά με την τιμή Kw του νερού (αποτυπώνοντας τη διαφαινόμενη αυξημένη συμπιεστότητα της πυριτίας συγκριτικά με το νερό). Συγκρίσεις με εργαστηριακές ανακυκλικές δοκιμές εδαφικού στοιχείου υποδεικνύουν ότι και οι δύο (2) αυτές οδοί είναι εν δυνάμει κατάλληλες για την προσομοίωση της συμπεριφοράς του σταθεροποιημένου εδάφους. Όμως, η σύγκριση με δύο (2) δυναμικές δοκιμές φυγοκέντρισης, μια για επίπεδη στρώση και μία για στρώση σταθεροποιημένου εδάφους υπό μικρή κλίση, υποδεικνύουν ότι:  η αναβαθμονόμηση των σταθερών του προσομοιώματος και του μέτρου συμπίεσης Κ του υγρού πόρων που βασίζονται μόνο σε δοκιμές στοιχείου υποεκτιμούν την αποδοτικότητα της βελτίωσης σε προβλήματα συνοριακών τιμών,  η μείωση του μέτρου συμπίεσης K του υγρού των πόρων ως συνάρτηση της συγκέντρωσης πυριτίας CS (%) κατά βάρος (για συνήθεις τιμές 5-10%), μπορεί να αποτελέσει ένα ενιαίο πλαίσιο προσομοίωσης για προβλήματα συνοριακών τιμών. Στη συνέχεια, έγινε παραμετρική αριθμητική διερεύνηση της 1Δ σεισμικής απόκρισης σταθεροποιημένων εδαφικών στρώσεων με χρήση του ως άνω πλαισίου προσομοίωσης, απ' όπου προέκυψε ότι:  Η σεισμική απόκριση πλήρως σταθεροποιημένης στρώσης προσεγγίζει την αντίστοιχη απόκριση του φυσικού εδάφους υπό πλήρως στραγγιζόμενες συνθήκες, και μάλιστα για μικρής έντασης διεγέρσεις οι δύο αυτές αποκρίσεις ταυτίζονται.  Σε μερικώς (μόνο επιφανειακά) σταθεροποιημένες στρώσεις, η σεισμική απόκριση καθορίζεται κυρίως από τη συμπεριφορά της υποκείμενης φυσικής στρώσης, η οποία αν έχει επαρκές πάχος και ρευστοποιηθεί, οδηγεί σε έντονη απομείωση της ταλάντωσης στην επιφάνεια.  Στατιστική επεξεργασία των αναλύσεων οδήγησε στην κατάστρωση απλών πολυ-παραμετρικών σχέσεων εκτίμησης της ενίσχυσης του ελαστικού φάσματος απόκρισης της επιτάχυνσης σε σταθεροποιημένες στρώσεις (κορυφή προς βάση). Τέλος, έγινε παραμετρική αριθμητική διερεύνηση της σεισμικής απόκρισης απειρομήκους επιφανειακού θεμελίου επί σταθεροποιημένης στρώσης, με χρήση του ίδιου πλαισίου προσομοίωσης, με τα ακόλουθα συμπεράσματα:  Αν το θεμέλιο εδράζεται επί πλήρως σταθεροποιημένης στρώσης, οι επιταχύνσεις στη στάθμη έδρασης είναι εν δυνάμει σημαντικές, αλλά οι σεισμικές καθιζήσεις είναι αρκετά μικρότερες απ’ ότι για τη φυσική άμμο.  Αν το θεμέλιο εδράζεται σε μερικώς (μόνο επιφανειακά) σταθεροποιημένη στρώση, οι επιταχύνσεις στη στάθμη έδρασης μπορεί να απομειωθούν, λόγω της υποκείμενης πιθανώς ρευστοποιήσιμης στρώσης. Ωστόσο, μια επιφανειακή σταθεροποίηση πάχους ίσου με το εύρος θεμελίου δε δείχνει επαρκής να απομειώσει τις σεισμικές καθιζήσεις, ενώ, αντίθετα, για πάχος διπλάσιο του εύρους θεμελίου προκύπτει σχεδόν το πλήρες σχετικό όφελος. Υπογραμμίζεται ότι η προτεινόμενη μεθοδολογία αριθμητικής προσομοίωσης σταθεροποιημένων εδαφών έχει διακριβωθεί με δοκιμές υπό διεγέρσεις μικρής και μέσης έντασης. Συνεπώς, η χρήση της, καθώς και των συμπερασμάτων της για τη σεισμική απόκριση σταθεροποιημένων εδαφών (με ή χωρίς θεμέλιο) θα πρέπει, προς το παρόν, να περιορίζεται σε τέτοιου είδους διεγέρσεις.	el
heal.abstract	At developed sites, the mitigation of seismic liquefaction via traditional ground improvement methods is either difficult or impossible to implement (e.g. vibro-replacement). In such cases, the usually applied methods (micropiles, high viscosity grouting, prefabricated drains) cannot mitigate liquefaction under the whole structure (due to inaccessibility of the equipment) and may even create structural problems (e.g. footing heave). An alternative ground improvement method without these drawbacks is passive stabilization. It entails the low pressure injection of colloidal silica (an aqueous suspension of silica nano-particles, SiO2), which has a low initial viscosity (allowing injection) that increases rapidly after well-controlled time (when it has reached the foundation of the structure). The increase of viscosity causes gelation of the pore fluid and this gelation leads to a stiffer and less contractive stabilized soil, which is less vulnerable to plastic strain accumulation related to liquefaction. The mechanical behavior of stabilized sands started being investigated just 15 years ago, and the pertinent research has proved almost exclusively experimental so far. However, application of this new improvement method, also requires a numerical simulation methodology aiming at the seismic response of stabilized sand. This is the only way that this improvement method may be used for designing Civil Engineering works in the near future. Hence, the goal of this research is to establish and verify a reliable numerical simulation methodology for stabilized sands, based on comparisons of simulation results to laboratory data from both element and physical model tests. A dedicated constitutive model for stabilized sands has not been established yet. Thus, here, the potential for "intelligent" use of an existing sophisticated critical state constitutive model for natural sands, NTUA-SAND, is explored. Its selection was based on the fact that this model has been proven capable of simulating the cyclic and monotonic response of sands at both element and system level. On the basis of this "intelligent" use of NTUA-SAND, dynamic coupled analyses were conducted using the finite difference method with two basic approaches for the simulation: (a) recalibration of the model constants for the soil skeleton (depicting a stiffer and less contractive response) and (b) decrease of the pore fluid bulk modulus K in comparison to the value Kw for water (denoting the seemingly increased compressibility of colloidal silica in comparison to that of water). Comparison with element tests shows that both these approaches are potentially capable to simulate the behavior of stabilized sands. However, additional comparisons with two dynamic centrifuge tests on the seismic response of a horizontal and a mildly inclined layer of stabilized sand, respectively, show that:  recalibration of the constitutive model constants and the pore fluid bulk modulus based on element tests alone underestimates the efficiency of the improvement in boundary value problems, while  the decrease of the pore fluid bulk modulus K, as a function of colloidal silica concentration per weight (for usual values of 5-10%), can constitute an integrated framework for the simulation of boundary value problems. Subsequently, the above framework was used for executing parametric numerical analyses in order to investigate the 1D seismic response of stabilized soil layers. These analyses led to the following results:  The seismic response of a fully stabilized layer is very reminiscent of the corresponding response of natural sand under fully drained conditions, while these two responses coincide for low intensity excitations.  For partially (only surficial) stabilized layers, the seismic response is mostly determined by the behavior of the underlying natural sand layer. If this latter layer is thick enough and liquefies, it may lead to intense de-amplification of the motion at the ground surface.  Statistical processing of the analyses led to the formulation of multi-variable relations which estimate the amplification of the elastic acceleration response spectra through stabilized layers (surface to base) Finally, parametric numerical analyses were also executed for studying the seismic response of a surface strip footing lying on a stabilized layer using the same framework. The pertinent conclusions are as follows:  If the footing lies on a fully stabilized sand layer, the acceleration at the base of the footing may be significant, but the seismic settlements are much smaller than those of the same layer if left untreated.  If the footing lies on a partially (only surficial) stabilized layer, the acceleration at the base of the footing may be de-amplified due to the underlying liquefiable layer. If the thickness of the surficial stabilized layer is equal to the width of the footing, then the stabilization seems insufficient to mitigate the seismic settlements. However, if the stabilization thickness is double the width of the footing, then the mitigation almost reaches the maximum possible (i.e. that of a fully stabilized sand layer). It should be mentioned here that the proposed methodology of numerical simulation for stabilized soils has been verified versus dynamic centrifuge tests under excitations of low and medium intensity. Hence, its application and the procuring results for the prediction of the seismic response of stabilized soils (with and without a footing) should be limited to excitations of such intensities.	en
heal.advisorName	Παπαδημητρίου, Αχιλλέας	el
heal.committeeMemberName	Μπουκοβάλας, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Γερόλυμος, Νικόλαος	el
heal.committeeMemberName	Παπαδημητρίου, Αχιλλέας	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών. Τομέας Γεωτεχνικής	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	217 σ.
heal.fullTextAvailability	true