Περί της ακρίβειας προσομοίωσης της αλληλεπίδρασης διάρρηξης ρήγματος - θεμελίου σε κοκκώδη εδάφη

Δημουλά, Μαρία; Dimoula, Maria

dc.contributor.author	Δημουλά, Μαρία	el
dc.contributor.author	Dimoula, Maria	en
dc.date.accessioned	2020-11-10T11:14:53Z
dc.date.available	2020-11-10T11:14:53Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/51879
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.19577
dc.rights	Default License
dc.subject	Καταστατικά προσομοιώματα	el
dc.subject	Επιφανειακή θεμελιώση	el
dc.subject	Αλληλεπίδραση εδάφους-κατασκευής	el
dc.subject	Soil-structure interaction	en
dc.subject	Ρήγμα	el
dc.subject	Ανισοτροπία δομής	el
dc.subject	Άμμος	el
dc.subject	Constitutive models	en
dc.subject	Shallow foundation	en
dc.subject	Sand	en
dc.subject	Fault	en
dc.subject	Fabric anisotropy	en
dc.title	Περί της ακρίβειας προσομοίωσης της αλληλεπίδρασης διάρρηξης ρήγματος - θεμελίου σε κοκκώδη εδάφη	el
dc.title	On the simulation accuracy of fault rupture - foundation interaction in granular soils	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Εδαφοδυναμική	el
heal.classification	Γεωτεχνική μηχανική	el
heal.classification	Soil mechanics	en
heal.classification	Soil dynamics	en
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2020-03
heal.abstract	Η παρούσα εργασία διερευνά την ακρίβεια της αριθμητικής προσομοίωσης της αλληλεπίδρασης (ενεργού) ρήγματος-κατασκευής, όταν η διάρρηξη διαδίδεται μέσω αμμώδους στρώσης. Η έμφαση δίνεται στην ακρίβεια του καταστατικού προσομοιώματος για το έδαφος. Στο πλαίσιο αυτό πραγματοποιούνται αναλύσεις με τη μέθοδο πεπερασμένων διαφορών σε 2 διαστάσεις (επίπεδη παραμόρφωση) και συγκρίνονται τα αποτελέσματα ενός σοφιστευμένου ανισοτροπικού προσομοιώματος (SANISAND-FR ή S-FR, Papadimitriou et al. 2019) με εκείνα που προκύπτουν από χρήση δύο απλούστερων προσομοιωμάτων: του απλουστευμένου ισοτροπικού προσομοιώματος Mohr-Coulomb με χαλάρωση (Strain-Softening, ή SS) και ενός πολύπλοκου προσομοιώματος της οικογένειας SΑNISAND χωρίς επίδραση της δομής (SANISAND-R ή S-R). Στη συνέχεια, διερευνάται η μέγιστη πιθανή επίδραση της αρχικής δομής μιας άμμου στο ίδιο πρόβλημα, με χρήση του προσομοιώματος S-FR καθώς είναι το μόνο που δε χρειάζεται ανα-βαθμονόμηση για το σκοπό αυτό. Αρχικά, τα προσομοιώματα SS και S-R βαθμονομήθηκαν ώστε να δίνουν «ταυτόσημη» απόκριση με το κατά τεκμήριο ορθότερο S-FR σε δοκιμή τριαξονικής θλίψης (TC). Η βαθμονόμηση έγινε για άμμο Toyoura σχετικής πυκνότητας Dr=65%, η οποία αποτέλεσε και το εδαφικό υλικό για την παρούσα εργασία. Παρά την ως άνω βαθμονόμηση, στη προσομοίωση δοκιμών τριαξονικού εφελκυσμού (TE) για την ίδια άμμο, διαπιστώθηκε υπερεκτίμηση της διαστολικότητας εκ μέρους των S-R και SS και υπερεκτίμηση και υποεκτίμηση της μέγιστης αντοχής από το S-R και το SS, αντίστοιχα. Ωστόσο, η προσομοίωση της διάδοσης κανονικού ρήγματος γωνίας 70ο μέσω στρώσης 20m της άμμου αυτής σε συνθήκες ελευθέρου πεδίου και η σύγκριση με τις αντίστοιχες μετρήσεις του πειράματος φυγοκεντριστή των Cai et al.(2016) έδειξε ικανοποιητική ακρίβεια και των τριών προσομοιωμάτων. Στη συνέχεια, διερευνήθηκε η επίδραση του προσανατολισμού της άμμου σε επίπεδο εδαφικού στοιχείου μέσω της προσομοίωσης δοκιμών ΤC και TE. Εξετάστηκαν 4 επίπεδα τάσεων και 2 έντονα διαφορετικές αρχικές μικροδομές: μια συνήθη που προκύπτει από απόθεση μέσω βαρύτητας και ονομάζεται «οριζόντια» δομή (δ=0ο, όπου δ η γωνία του επιπέδου απόθεσης σε σχέση με την οριζόντια διεύθυνση) και μια ακραία που προκύπτει από περιστροφή της «οριζόντιας» δομής κατά 90ο («κατακόρυφη» δομή, δ=90ο). Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι σε φόρτιση υπό ΤC, η απόκριση για δ=90ο (όπου η σ1 είναι κατακόρυφη) ομοιάζει σαν η άμμος να είναι «χαλαρότερη» απ’ ότι για δ=0ο, ενώ το αντίθετο ισχύει για φόρτιση υπό ΤΕ (όπου η σ1 είναι οριζόντια). Διερευνώντας περαιτέρω την ακρίβεια των ως άνω βαθμονομημένων προσομοιωμάτων στο πρόβλημα της διάδοσης της διάρρηξης ρήγματος μέσω στρώσης άμμου (Toyoura με Dr=65%) πάχους 20m, πραγματοποιήθηκαν αναλύσεις για 3 διαφορετικές γωνίες ρήγματος: κανονικό με γωνία β = 45ο, κανονικό με γωνία β = 85ο («κατακόρυφο») και ανάστροφο με γωνία β = 135ο (= 180 – 45ο). Οι διαρρήξεις των ρηγμάτων διερευνήθηκαν για συνθήκες ελευθέρου πεδίου και έπειτα με ύπαρξη επιφανειακού και άκαμπτου θεμελίου πλάτους B = 4m που φέρει ομοιόμορφο φορτίο q (=100kPa και 185kPa). Υπογραμμίζεται πως το θεμέλιο είχε τη δυνατότητα ολίσθησης ή ανασηκώματος και πως προκειμένου να διερευνηθεί η μέγιστη επίδραση του τοποθετήθηκε σε διαφορετική θέση ανά είδος ρήγματος, ώστε να βρίσκεται στην περιοχή ανάδυσης της κάθε διάρρηξης για συνθήκες ελευθέρου πεδίου. Σε συμφωνία με την υπάρχουσα βιβλιογραφία, διαπιστώθηκε ικανοποιητική ακρίβεια των απλούστερων προσομοιωμάτων για χρήση τους σε προσομοίωση διαρρήξεων επί ελευθέρου πεδίου. Αντίθετα παρατηρήθηκαν πολύ σημαντικές αποκλίσεις στην προσομοίωση της αλληλεπίδρασης ρήγματος-κατασκευής, τόσο στην απόκριση του εδάφους (π.χ. εκτροπή της διάρρηξης προς διαφορετική κατεύθυνση) όσο και στην εκτίμηση των μεγεθών ενδιαφέροντος για την κατασκευή (στροφή, καθίζηση). Ποσοτικά η απόκριση πλησίον της κατασκευής καθορίζεται από τη φέρουσα ικανότητα, η οποία είναι ελάχιστη για το προσομοίωμα SS και μέγιστη για το προσομοίωμα S-R. Συνεπώς, η κατασκευή εμφανίζει τις μέγιστες και ελάχιστες καθιζήσεις για τα SS και S-R, ενώ το S-FR δίνει τη μέση, μεταξύ των δύο, απόκριση. Ως εκ τούτου, η χρήση προσομοιωμάτων απλούστερων του S-FR κρίθηκε ως ακατάλληλη για το πρόβλημα αλληλεπίδρασης ρήγματος-κατασκευής, ακόμη κι αν έχουν βαθμονομηθεί στις συνήθως διαθέσιμες δοκιμές TC. Ακολούθως, με χρήση του S-FR, διερευνήθηκε η επίδραση της εξελισσόμενης ανισοτροπίας της μικροδομής στο πρόβλημα της διάδοσης διάρρηξης ρήγματος μέσω άμμου (Toyoura με Dr=65%) πάχους 20m. Η διερεύνηση αφορούσε και τις 3 γωνίες ρήγματος (β = 45ο, 85ο, 135ο), υπό συνθήκες ελευθέρου πεδίου και με θεμέλιο με τα προαναφερθέντα χαρακτηριστικά, ενώ συγκρίθηκε η απόκριση για τις 2 έντονα διαφορετικές αρχικές μικροδομές, δηλαδή της συνήθους «οριζόντιας» δομής (δ=0ο) και της ακραίας «κατακόρυφης» δομής (δ=90ο). Προκύπτει ότι υπό συνθήκες ελευθέρου πεδίου, η διάρρηξη «κατακόρυφου» ρήγματος είναι μορφής απλής διάτμησης (με την σ1 υπό γωνία διάφορη των 0ο και 90ο), είναι ουσιαστικά ίδια για δ=0ο και δ=90ο. Ωστόσο, σε διάρρηξη κανονικού ρήγματος υπό συνθήκες ελευθέρου πεδίου (όπου σ1 παραμένει κατακόρυφη με τη μείωση των οριζοντίων τάσεων), η άμμος με δ=90ο συμπεριφέρεται μακροσκοπικά ως «χαλαρότερη», με το αντίθετο να παρατηρείται σε διάρρηξη ανάστροφου ρήγματος (όπου η σ1 γίνεται οριζόντια λόγω αύξησης των οριζοντίων τάσεων). Τα ανωτέρω χαρακτηριστικά απόκρισης εξακολουθούν να ισχύουν για τις περιπτώσεις αλληλεπίδρασης ρήγματος-κατασκευής, αλλά μόνο μακριά από την κατασκευή. Στην περιοχή της κατασκευής, η απόκριση καθορίζεται και από τη διαφορετική φέρουσα ικανότητα των θεμελίων, δηλαδή από τη συγκριτικά μειωμένη φέρουσα ικανότητα για δ=90ο (Chaloulos et al.2019). Οι διαφορές λόγω φέρουσας ικανότητας αποδεικνύονται συγκριτικά πιο σημαντικές για διάρρηξη κανονικού ρήγματος, λόγω της μείωσης των οριζοντίων τάσεων που αυτή προκαλεί.	el
heal.abstract	This thesis investigates the accuracy of the numerical simulation of the fault-structure interaction problem, when the rupture propagates through a layer of sand. The emphasis is set on the accuracy of the employed soil constitutive model. In that context, analyses are performed with the finite difference method in 2 dimensions (plain strain) and the results occurring from the use of a sophisticated anisotropic model (SANISAND-FR or S-FR, Papadimitriou et al. 2019) are compared with those that occur from the use of two constitutive models of lesser complexity: a simplified isotropic Mohr-Coulomb with strain softening (Strain-Softening or SS) and a more complex SANISAND model that does not account for fabric effects. Furthermore, the maximum effect that the (initial) sand fabric has on the same problem is investigated with the S-FR model, as it is the only of these models that does not require recalibration for that purpose. Initially, the SS and S-R models were calibrated to attain identical simulations for triaxial compression tests (TC) with the more accurate S-FR model. The calibration was performed for Toyoura sand of relative density Dr=65%, which is the soil material used in this work. Despite this calibration, the simulation of triaxial extension (TE) tests on the same sand revealed overestimation of the dilatancy from both the SS and S-R models and over-prediction and under-prediction of the peak strength from the SS and S-R models, respectively. Nevertheless, the simulation of the rupture propagation of a normal fault with a dip angle β=70o through a 20m thick sand layer under free field conditions and the comparison with the experimental results of the respective centrifuge test from Cai et al. (2016) indicated fair accuracy with all 3 models. Subsequently, the effect of (initial) sand fabric orientation at soil element level was investigated by simulating TC and TE tests. The tests initiated from 4 different stress levels and 2 widely different initial sand fabric orientations: the usual fabric that results from gravitational deposition, i.e. a “horizontal” fabric (δ=0o, with δ depicting the angle between the deposition plane and the horizontal direction) and an extreme fabric that results via a rotation of the “horizontal” fabric by 90o (“vertical” fabric, δ=90ο). The results indicate that during TC loading (when σ1 is vertical) the sand having a fabric with δ=90ο behaves as a sand that is “looser” than when the fabric is characterized by δ=0ο. The opposite applies for TE loading, when the σ1 is horizontal. In order to investigate further the accuracy of the thus-calibrated models on the simulation of the propagation of a fault rupture through a 20m sand layer (Toyoura sand with Dr=65%), analyses were performed for 3 different fault types: a normal fault with an angle β=45ο, a normal fault with β=85o (“vertical” fault) and a reverse fault with an angle of β=135ο (= 180 – 45o). The propagation of the ruptures was firstly investigated under free field conditions and then with the simultaneous existence of a shallow and rigid strip footing of width B=4m that carries a uniform load q (=100kPa or 185kPa). It is underlined here that the footing was allowed to uplift and slip and that in order to examine the maximum interaction effect due to its existence, its location was different for each fault type, i.e. it was placed where each fault rupture surfaces under free field conditions. Ιn agreement with the related published literature, satisfactory accuracy was obtained from the use of models of less complexity for the simulation of fault rupture propagation under free field conditions. However, very significant differences were observed in the simulations of the fault-structure interaction problem, including both the response of the soil (e.g. diversion of the rupture towards different directions) and of the structure (rotation, settlement). Quantitatively, the response due to fault rupturing in the vicinity of the structure is governed from its bearing capacity, which is underpredicted and overpredicted by the SS and S-R models, respectively. Consequently, the settlement of the structure in the fault rupturing process is overpredicted and underpredicted by the SS and S-R models. As a result, the usage of constitutive models simpler than the S-FR is found unsuitable for the fault-structure interaction problem, even if these are calibrated on TC test data, i.e. the most common tests in geotechnical engineering practice. Afterwards, the S-FR model was used to investigate the effect of the evolving sand fabric anisotropy on the process of fault rupture propagation through a sand layer (Toyoura of Dr=65%) of 20m depth. The investigation included all 3 fault types (β = 45ο, 85ο, 135ο), under free field conditions and under the interaction effects with the structure having the previously mentioned characteristics. A comparison was performed of the predicted response for the aforementioned 2 widely different initial sand fabrics, i.e. the usual “horizontal” fabric (δ=0ο) and the extreme “vertical” fabric (δ=90ο). It is shown that under free field conditions the “vertical” fault rupture propagation imposes loading reminiscent of simple shear (with σ1 being at an angle different from 0o and 90o), and hence the response is practically the same for both δ=0ο and δ=90ο. However, during the propagation of a normal fault rupture under free field conditions (when σ1 remains vertical due to the decrease of horizontal stresses), the sand with δ=90ο macroscopically behaves as a “looser” sand, while the opposite is true during the reverse fault rupture propagation (at which σ1 becomes horizontal due to the increase of horizontal stresses). The aforementioned response differences also apply for the fault-structure interaction cases, but only in the regions far from the structure. In the vicinity of the structure, the response during fault rupturing is again governed from its bearing capacity, i.e. from the comparatively smaller bearing capacity in sand with δ=90ο (Chaloulos et al.2019). Note that the response deviations that result from the different bearing capacity are more significant during normal fault rupturing, due to the decrease of horizontal stresses that this rupture causes.	en
heal.advisorName	Παπαδημητρίου, Αχιλλέας	el
heal.committeeMemberName	Παπαδημητρίου, Αχιλλέας	el
heal.committeeMemberName	Μπουκοβάλας, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Γερόλυμος, Νικόλαος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών. Τομέας Γεωτεχνικής	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	140 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false