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

Τιπτιρής, Ιωάννης; Tiptiris, Ioannis

dc.contributor.author	Τιπτιρής, Ιωάννης	el
dc.contributor.author	Tiptiris, Ioannis	en
dc.date.accessioned	2018-02-15T12:49:42Z
dc.date.available	2018-02-15T12:49:42Z
dc.date.issued	2018-02-15
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/46530
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.14792
dc.rights	Default License
dc.subject	Παθητική σταθεροποίηση	el
dc.subject	Σταθεροποίηση	el
dc.subject	Προσομοίωση	el
dc.subject	Ρευστοποίηση	el
dc.subject	Passive stabilization	en
dc.subject	Liquefaction	en
dc.subject	Stabilization	en
dc.subject	Simulation	en
dc.subject	Seismic response	el
dc.subject	Σεισμική απόκριση	el
dc.title	Αριθμητική προσομοίωση σεισμικής απόκρισης εδαφών και βαθιών θεμελιώσεων μετά από παθητική σταθεροποίηση έναντι ρευστοποίησης	el
dc.title	Numerical simulation of the seismic response of soils and deep foundations after passive stabilization against liquefaction	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Γεωτεχνική μηχανική	el
heal.classification	Μοντελοποίηση και προσομοίωση	el
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/cb16f7de16f322f2114874eda44f02fe72165c84
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/f85383fcd7c211714084d7fca897998d7d759c5d
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2017-11-03
heal.abstract	Σε θέσεις υφιστάμενων κατασκευών, η χρήση των πλέον διαδεδομένων μεθόδων αποτροπής ή/και περιορισμού της σεισμικής ρευστοποίησης είναι είτε δύσκολη ή αδύνατη (π.χ. δονητική αντικατάσταση). Σε τέτοιες θέσεις, συνήθως επιλέγονται μικροπάσσαλοι, ενέματα υψηλού ιξώδους, ή προκατασκευασμένα στραγγιστήρια που αφενός δεν αποτρέπουν τη ρευστοποίηση σε όλη την κάτοψη (λόγω αδυναμίας πρόσβασης του εξοπλισμού) και αφετέρου μπορούν να δημιουργήσουν δομικά προβλήματα (π.χ. ανασήκωμα θεμελίων με χρήση ενεμάτων). Μια εναλλακτική μέθοδος βελτίωσης του εδάφους χωρίς τα παραπάνω μειονεκτήματα είναι η παθητική σταθεροποίηση. Πρόκειται για την αργή εισπίεση κολλοειδούς πυριτίας (ενός υδατικού διαλύματος νάνο-σωματιδίων SiO2) που χαρακτηρίζεται από αρχικώς χαμηλό ιξώδες (επιτρέποντας την εύκολη διήθησή του), που όμως αυξάνει ραγδαία μετά από ελεγχόμενο χρόνο (όταν φθάσει στη θέση θεμελίωσης). Η αύξηση του ιξώδους μετατρέπει το υγρό πόρων του εδάφους σε γέλη και η εν λόγω γέλη καθιστά το σταθεροποιημένο έδαφος πιο δύστμητο και λιγότερο συστολικό, με αποτέλεσμα τον περιορισμό των παραμορφώσεων υπό ανακυκλική διάτμηση που σχετίζονται με τη ρευστοποίηση. H εφαρμογή της νέας μεθόδου βελτίωσης εδαφών στην πράξη χρειάζεται μια μεθοδολογία αριθμητικής προσομοίωσης της σεισμικής συμπεριφοράς του σταθεροποιημένου εδάφους. Δεδομένου ότι δεν υπάρχει τέτοια μεθοδολογία στη βιβλιογραφία πέραν της πρόσφατης πρότασης της Αγαπουλάκη (2017), στόχος της παρούσας εργασίας είναι να καλυφτεί αυτό το κενό, μέσω συγκρίσεων αριθμητικών προσομοιώσεων με πειραματικές μετρήσεις κυρίως από δυναμικές δοκιμές σε φυγοκεντριστή (από τη βιβλιογραφία) που αφορούν στη σεισμική απόκριση των σταθεροποιημένων άμμων. Ελλείψει ενός εξειδικευμένου καταστατικού προσομοιώματος για τέτοια εδάφη, επιχειρήθηκε η «ευφυής» χρήση του προσομοιώματος NTUA-SAND (Andrianopoulos et al. 2010) που αφορά σε φυσικές άμμους. Μια νέα μεθοδολογία προσομοίωσης προέκυψε εν μέρει από την επεξεργασία των πρόσφατων πειραματικών αποτελεσμάτων μιας σειράς μονοτονικών τριαξονικών δοκιμών (σε δοκίμια άμμου Μ31 πριν και μετά από σταθεροποίηση με κολλοειδή πυριτία) των Georgiannou et al. (2017) και Παυλοπούλου (2017). Από την επεξεργασία των αποτελεσμάτων των εν λόγω δοκιμών προέκυψαν οι Γραμμές Κρίσιμης Κατάστασης (CSL) της φυσικής και της σταθεροποιημένης άμμου Μ31 στο χώρο δείκτη πόρων – μέσης ενεργού τάσης, με τη δεύτερη να είναι μετατοπισμένη σε μεγαλύτερους δείκτες πόρων και να είναι μεγαλύτερης κλίσης, ποσοτικοποιώντας την αύξηση της δυστμησίας και μείωση της συστολικότητας λόγω σταθεροποίησης που όμως φθίνει σε μεγάλες τιμές μέσης τάσης. Δεδομένου ότι οι διαθέσιμες δοκιμές φυγοκεντριστή έχουν εκτελεστεί σε άμμο Nevada και όχι M31 και το προσομοίωμα NTUA-SAND έχει βαθμονομηθεί για φυσική άμμο Nevada έγινε η παραδοχή ότι η σταθεροποίησή της θα οδηγεί σε αντίστοιχα μετατοπισμένη CSL. Ο πρώτος έλεγχος αυτής της έμμεσης βαθμονόμησης έγινε με προσομοιώσεις ανακυκλικών δοκιμών απλής διάτμησης για φυσική και σταθεροποιημένη άμμο Nevada και έδειξε ότι δίνει αυξημένη αντοχή σε ρευστοποίηση, που είναι στο άνω όριο του εύρους των αντίστοιχων βιβλιογραφικών δεδομένων από πειραματικές μετρήσεις σε άλλες άμμους. Στη συνέχεια εκτελέσθηκαν προσομοιώσεις τριών (3) προβλημάτων συνοριακών τιμών, προκειμένου να διακριβωθεί η αξιοπιστία της νέας μεθοδολογίας, με χρήση της μεθόδου των πεπερασμένων διαφορών με τα λογισμικά FLAC και FLAC3D. Συγκεκριμένα, προσομοιώθηκαν τρεις (3) σειρές δυναμικών δοκιμών φυγοκεντριστή, μία για τη 1Δ σεισμική απόκριση επίπεδου εδάφους (Gallagher et al. 2007), μία για τη 2Δ σεισμική απόκριση εδάφους υπό μικρή κλίση (Conlee et al. 2012) και μία για την 3Δ σεισμική απόκριση πασσαλομάδας σε έδαφος υπό μικρή κλίση (Pamuk et al. 2007), καλύπτοντας ένα αρκετά μεγάλο εύρος εντάσεων διέγερσης ώστε να ληφθεί μια ξεκάθαρη εικόνα για την καταλληλότητα εφαρμογής των υπό εξέταση μεθοδολογιών προσομοίωσης. Συγκεκριμένα εξετάσθηκαν: (α) ο επαναπροσδιορισμός της CSL του σταθεροποιημένου υλικού (όπως παραπάνω), (β) η υπάρχουσα βέλτιστη προσέγγιση που έγκειται στην σημαντική μείωση του μέτρου συμπιεστότητας Κ του υγρού των πόρων (Αγαπουλάκη 2017) και (γ) μία προσέγγιση που συνδυάζει τις (α) και (β), δηλαδή τον επαναπροσδιορισμό της CSL ταυτόχρονα με μια ελαφρά μείωση του μέτρου συμπιεστότητας Κ του υγρού των πόρων. Τα αποτελέσματα των εν λόγω προσομοιώσεων κατέδειξαν τα εξής: • Η σημαντική μείωση του μέτρου συμπιεστότητας του υγρού των πόρων Κ, χωρίς αλλαγή στις σταθερές του προσομοιώματος για τον εδαφικό σκελετό (Αγαπουλάκη 2017), προβλέπει ικανοποιητικά τα αποτελέσματα όλων των εξετασθέντων δοκιμών σε επίπεδο μετακινήσεων, επιταχύνσεων, υπερπιέσεων πόρων, αλλά και καμπτικών ροπών της πασσαλομάδας του πειράματος των Pamuk et al. (2007). • Ο επαναπροσδιορισμός της CSL του σταθεροποιημένου υλικού, χωρίς αλλαγή στο μέτρο συμπιεστότητας του υγρού πόρων Κ, οδηγεί σε ποιοτικώς ορθά αποτελέσματα, αλλά δεν προσφέρει ποσοτική ακρίβεια. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι η ρευστοποίηση καθυστερεί μεν χρονικά αλλά δεν αποφεύγεται τελικώς, ενώ υπερεκτιμούνται οι μετακινήσεις των σταθεροποιημένων εδαφών. • Ο συνδυασμός της επαναπροσδιορισμένης CSL με ελαφρά μείωση του μέτρου συμπιεστότητας Κw (ελαφρότερη εκείνης της Αγαπουλάκη 2017) οδηγεί σε ελαφρώς ακριβέστερα αποτελέσματα συγκριτικά με την υπάρχουσα βέλτιστη πρόταση. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι παρατηρείται ελαφρώς καλύτερη εκτίμηση των μετακινήσεων, ενώ οι καμπτικές ροπές της πασσαλομάδας στο πείραμα των Pamuk et al. (2007) προσεγγίζονται με συγκρίσιμη ακρίβεια με εκείνη της υπάρχουσας βέλτιστης πρότασης.	el
heal.abstract	At developed sites, the mitigation of seismic liquefaction via conventional 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, perforated drains) cannot mitigate liquefaction under the whole structure (due to inaccessibility of the equipment) and may even cause structural problems (e.g. footing heave during grouting). An alternative ground improvement method without these drawbacks is passive (site) 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 application of the new improvement method requires a methodology for numerical simulation of the seismic response of stabilized soils. Such a methodology does not exist in the literature, which only includes the recent proposal of Agapoulaki (2017). The scope of this thesis is to cover this gap, via comparisons of numerical results with laboratory measurements mainly from dynamic centrifuge tests (from the literature) that study the seismic response of stabilized sands. Due to the lack of a dedicated constitutive model for such soils, the “intelligent” use of the NTUA-SAND model (Andrianopoulos et al. 2010) was considered, despite that it was proposed for untreated sands. A new simulation methodology came about partly from the processing of the recent series of monotonic triaxial tests performed by Georgiannou et al. (2017) and Pavlopoulou (2017) on both untreated and treated M31 sand samples. This processing provided the Critical State Lines (CSLs) in the void ratio – mean effective stress space for the untreated and treated M31 sands. The CSL for the treated M31 sand was located at higher void ratios and is relatively more inclined, thus quantifying that the increase of stiffness and reduction of contractiveness due to stabilization diminishes at high mean effective stresses. Given that the available centrifuge tests employed treated and untreated Nevada sand and that the NTUA-SAND model has been calibrated for untreated Nevada sand, it was assumed here that its stabilization would impose a similar dislocation of the CSL. Simulations of cyclic simple shear tests for untreated and treated Nevada sand and showed that the new calibration leads to an increase of liquefaction resistance, which lies on the upper bound of pertinent data from literature measurements on other sands. In the sequel, simulations of three (3) boundary-value problems were performed in order to validate the reliability of the new methodology. These simulations were performed with the finite-differences codes FLAC and FLAC3D. These simulations correspond to three (3) series of dynamic centrifuge tests, which refer to the 1D seismic response of stabilized sand (Gallagher et al. 2007), the 2D seismic response of a mildly inclined layer of stabilized sand (Conlee et al. 2012), and the 3D seismic response of a pile group in a mildly inclined layer of stabilized sand (Pamuk et al. 2007). These tests cover a wide range of excitation intensities, thus providing for a reliable validation procedure of the examined simulation methodologies. These include: (a) the dislocation of the CSL due to stabilization (as mentioned above), (b) the significant reduction of the pore fluid bulk modulus K (the optimal existing methodology of Agapoulaki 2017) and (c) a combination of (a) and (b) above, i.e. the dislocation of the CSL concurrently with a mild reduction of the pore fluid bulk modulus K. The results of these simulations showed the following: • The significant reduction of the pore fluid modulus K, without any other recalibration in the model constants for the soil skeleton (Agapoulaki, 2017), shows satisfactory simulation accuracy for all tests, in terms of displacements, accelerations, excess pore pressures, as well as pile bending moments in the test of Pamuk et al. (2007). • The dislocation of the CSL due to stabilization, without any change in the pore fluid bulk modulus K, leads to qualitatively accurate results, but does not provide quantitative accuracy. Indicatively, liquefaction is delayed, but is not avoided in any simulation, while displacements of stabilized sands are over predicted. The combination of a dislocated CSL with a mild reduction of the pore fluid bulk modulus K (milder than that proposed by Agapoulaki 2017) leads to slightly more accurate results than what the optimal existing methodology provides. Indicatively, a slightly more accurate simulation of displacements is ensured, while the bending moments for the pile group of the Pamuk et al. (2007) experiment are simulated with comparable accuracy.	en
heal.advisorName	Παπαδημητρίου, Αχιλλέας	el
heal.committeeMemberName	Παπαδημητρίου, Αχιλλέας	el
heal.committeeMemberName	Γεωργιάννου, Βασιλική	el
heal.committeeMemberName	Γερόλυμος, Νικόλαος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών. Τομέας Γεωτεχνικής	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	100 σ.
heal.fullTextAvailability	true