Πολύ-λειτουργική δράση χαλικοπασσάλων στη βελτίωση της απόκρισης αβαθών θεμελίων επι ρευστοποιήσιμου εδάφους

Κατσουλάρης, Βάιος; Katsoularis, Vaios

dc.contributor.author	Κατσουλάρης, Βάιος	el
dc.contributor.author	Katsoularis, Vaios	en
dc.date.accessioned	2022-02-04T16:38:45Z
dc.date.available	2022-02-04T16:38:45Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/54552
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.22250
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Ρευστοποίηση	el
dc.subject	Βελτίωση εδαφών	el
dc.subject	Αριθμητική διερεύνηση	el
dc.subject	Αποτροπή ρευστοποίησης	el
dc.subject	Πολυ-λειτουργική δράση χαλικοπασσάλων	el
dc.subject	Liquefaction mitigation	en
dc.subject	Gravel piles	en
dc.subject	Ground improvement	en
dc.subject	Numerical investigation	en
dc.subject	Reinforcement-Drainage-Densification effects	en
dc.title	Πολύ-λειτουργική δράση χαλικοπασσάλων στη βελτίωση της απόκρισης αβαθών θεμελίων επι ρευστοποιήσιμου εδάφους	el
dc.title	Multifunctional operation of gravel piles for improving the response of shallow foundations on liquefiable soils	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Γεωτεχνική Μηχανική	el
heal.classification	Geotechnical Engineering	en
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2021-11-05
heal.abstract	Οι υπάρχουσες μέθοδοι σχεδιασμού καννάβου χαλικοπασσάλων έναντι σεισμικής ρευστοποίησης λαμβάνουν υπόψη τους μονάχα την δράση μιας εκ των λειτουργιών των χαλικοπασσάλων (π.χ., της στράγγισης, όταν σχεδιάζονται ως στραγγιστήρια). Στην πραγματικότητα όμως, η δράση των χαλικοπασσάλων είναι πιο σύνθετη, καθώς συνεισφέρουν ταυτόχρονα τρείς κύριες λειτουργίες: στράγγιση, ενίσχυση (λόγω στιβαρών χαλίκων), συμπύκνωση (περιβάλλοντος εδάφους). Επιπλέον, είναι ασαφές το ποια εξ αυτών συνεισφέρει περισσότερο στην αποτροπή της ρευστοποίησης και των αποτελεσμάτων της. Έτσι, στην παρούσα εργασία, επιδιώκεται η ποσοτικοποίηση της απόδοσης των τριών λειτουργιών, κατά μόνας και όλες μαζί, με εφαρμογή κυρίως στη μείωση των σεισμικών καθιζήσεων επιφανειακού θεμελίου. Για το σκοπό αυτό, εδώ διερευνάται αριθμητικά η απόκριση τετραγωνικού θεμελίου πλευράς 5m, επί οριζόντιας ρευστοποιήσιμης στρώσης πάχους 10m υπό αρμονική διέγερση, με και χωρίς καννάβο χαλικοπασσάλων. Η παραμετρική διερεύνηση πραγματοποιήθηκε μέσω μη-γραμμικών συζευγμένων δυναμικών 3Δ αναλύσεων με χρήση του λογισμικού πεπερασμένων διαφορών FLAC3D. Το θεμέλιο θεωρήθηκε χωρίς μάζα, άκαμπτο και τραχύ, με ομοιόμορφο φορτίο, ενώ για την προσομοίωση του ρευστοποιήσιμου εδάφους και των χαλικοπασσάλων υιοθετήθηκε το καταστατικό προσομοίωμα NTUA_Sand. Δεδομένου ότι δεν υπάρχουν αξιόπιστα πειραματικά αποτελέσματα για τη μηχανική συμπεριφορά των χαλίκων των χαλικοπασσάλων (μέση διάμετρος μερικών cm), θεωρήθηκε εύρος πιθανής απόκρισης, με το κάτω όριο να βασίζεται σε χάλικες διαμέτρου μερικών mm (μια τάξη μεγέθους μικρότερη της πραγματικής) και το άνω όριο να αντιστοιχεί αδρά σε αντοχή και διαστολικότητα διπλάσια εκείνης της χαλαρής ρευστοποιήσιμης άμμου Τα αποτελέσματα που αφορούν στη μεμονωμένη λειτουργία της στράγγισης δείχνουν πως η αύξηση του ποσοστού αντικατάστασης Ar(%) από 11% σε 24%, περίπου, είναι μη-ουσιώδης για χαμηλές τιμές της σχετικής διαπερατότητας Κ* (π.χ., Κ* = 100, όπου Κ* είναι ο λόγος της διαπερατότητας των χαλίκων έναντι του περιβάλλοντος εδάφους), ενώ προκύπτει σημαντική για υψηλές τιμές του λόγου Κ* (π.χ., K* = 500). Ταυτόχρονα, η αύξηση του λόγου Κ* από 100 σε 500 αποδεικνύεται σημαντική (π.χ., μείωση καθιζήσεων έως 47%), κυρίως για «πυκνούς» καννάβους χαλικοπασσάλων. Από την άλλη, για τη μεμονωμένη λειτουργία της ενίσχυσης προέκυψε πως χαλικοπάσσαλοι με βαθμονόμηση χαλίκων άνω ορίου οδηγούν σε σχεδόν 4 φορές μικρότερες καθιζήσεις σε σχέση με εκείνες για τον ίδιο κάνναβο με βαθμονόμηση χαλίκων κάτω ορίου. Συνεπώς, η ακριβής βαθμονόμηση των χαλίκων είναι κρισιμότερη παράμετρος, συγκριτικά με το ποσοστό αντικατάστασης Αr(%) του οποίου η αύξηση από 11% σε 24%, περίπου, δίνει μείωση καθιζήσεων έως 50%. Επιπλέον, η πρόσθετη απομείωση των καθιζήσεων λόγω συμπύκνωσης του περιβάλλοντος εδάφους δεν είναι σημαντική συγκριτικά με εκείνη λόγω αποκλειστικά ενίσχυσης με βαθμονόμηση χαλίκων άνω ορίου. Όμως, για τη βαθμονόμηση χαλίκων κάτω ορίου, οι επιδράσεις ενίσχυσης και συμπύκνωσης στη μείωση καθιζήσεων θεμελίου είναι μικρές, και συγκριτικά αναμένονται ισοδύναμες. Για την απόδοση της σύνθετης λειτουργίας των χαλικοπασσάλων προκύπτει ότι με βαθμονόμηση χαλίκων κάτω ορίου τόσο η σχετική διαπερατότητα Κ, όσο και το ποσοστό αντικατάστασης Αr(%) είναι σημαντικές παράμετροι. Ταυτόχρονα, με βαθμονόμηση χαλίκων άνω ορίου η επίδραση του λόγου Κ στην απόδοση της βελτίωσης παύει να είναι σημαντική, αντίθετα με εκείνη του ποσοστού αντικατάστασης Αr(%) που εξακολουθεί (π.χ., μείωση καθιζήσεων κατά 50% για αύξηση Αr(%) από 11% σε 24%, περίπου). Επιπροσθέτως, η σύνθετη λειτουργία των χαλικοπασσάλων με βαθμονόμηση χαλίκων κάτω ορίου βρέθηκε να απομειώνει τις σεισμικές καθιζήσεις του μη-βελτιωμένου θεμελίου κατά 36% έως 77%, ενώ το αντίστοιχο εύρος απομείωσης για την βαθμονόμηση χαλίκων άνω ορίου είχε μεγαλύτερες τιμές (από 77% έως 91%). Συνεπώς, και πάλι, η ακριβής βαθμονόμηση των χαλίκων κρίνεται ως η πιο σημαντική παράμετρος. Τέλος, υπογραμμίζεται ότι τόσο η μέγιστη επιτάχυνση της διέγερσης, όσο και το φορτίο του θεμελίου μειώνουν την αποδοτικότητα του καννάβου χαλικοπασσάλων σε όρους ποσοστιαίας μείωσης καθιζήσεων. Από τις δύο αυτές παραμέτρους, το φορτίο θεμελίου προκύπτει ως πιο σημαντική παράμετρος στον καθορισμό της αποδοτικότητας. Γενικά, η μείωση των σεισμικών καθιζήσεων θεμελίου με κάνναβο χαλικοπασσάλων σχετίζεται με τη μείωση των υπερπιέσεων πόρων κάτω από το θεμέλιο, ή ακόμη και με την ανάπτυξη υποπιέσεων λόγω διαστολικότητας. Ως συνέπεια παρατηρείται αύξηση της στιβαρότητας του εδάφους (συγκριτικά με το τι συμβαίνει στο μη-βελτιωμένο θεμέλιο), η οποία οδηγεί με τη σειρά της σε μη-απομείωση έως και ενίσχυση της επιτάχυνσης που φτάνει στο θεμέλιο. Τέλος, με αφορμή γνωστές μεθοδολογίες σχεδιασμού χαλικοπασσάλων που λαμβάνουν υπόψη μόνο τη λειτουργία στράγγισης, προκύπτει ότι η μείωση καθιζήσεων που επιτυγχάνεται με την πολυ-λειτουργική δράση των χαλικοπασσάλων είναι πολύ σημαντικότερη (1.5 – 2.8 φορές μικρότερες) απ’ ότι αν υπήρχε μόνο η λειτουργία της στράγγισης. Συνεπώς, τέτοιες μεθοδολογίες, αν αποδεικνύονται στην πράξη συντηρητικές, αυτό δεν οφείλεται αποκλειστικά στη λειτουργία της στράγγισης.	el
heal.abstract	Existing design methods for gravel piles against liquefaction commonly take into account a single mitigation mechanism (commonly either drainage or densification). However, gravel pile operation is more complex, since it is based on the simultaneous action of three mitigation mechanisms: drainage, reinforcement (due to the increased gravel stiffness and strength) and densification (of the surrounding soil). Moreover, it still remains unclear exactly which of these mechanisms contributes the most towards liquefaction mitigation and the prevention of its consequences. Given the above, the present study provides a quantification of the effectiveness of the three mitigation functions, both individually and combined, on reducing the seismic-induced settlements of shallow foundations. This study presents a numerical investigation of the seismic response of a 5m-wide surface square footing on a 10m-thick horizontal liquefiable layer under a harmonic excitation, before and after the ground improvement with a square grid of gravel piles. The investigation was carried out by parametric non-linear dynamic 3D fully-coupled analyses with the finite difference code FLAC3D. The surface footing was considered to be massless, rigid and rough, while being uniformly loaded. For the simulation of both the liquefiable layer and the gravel piles, the NTUA-Sand constitutive model was adopted. Due to lack of reliable experimental test results concerning the mechanical behavior of the type of gravels used in gravel pile construction, their response was considered to vary within a certain range. The lower bound of this range was based on the behavior of gravels with mean diameter of a few mm (one order of magnitude lower than that in gravel piles), while the upper bound corresponds to a gravelly material with approximately double the shear strength and the dilatancy of the liquefiable sand. The results corresponding to the (individually acting) drainage function of gravel piles showed that increasing the area replacement ratio from about Ar=11% to Ar=24% has no substantial impact on the effectiveness of the mitigation for low values of the drain permeability (e.g., for K=100, where K is the ratio of the permeability of the drains over that of the liquefiable sand). On the contrary, the Ar value plays an important role for large values of the relative permeability K* (e.g., K=500). At the same time, increasing the relative permeability K from the value of 100 to 500 was found to affect drainage effectiveness significantly (i.e., up to 47% settlement reduction), especially for dense grids of gravel piles. With respect to the (individually acting) reinforcement function of gravel piles, the results showed that the upper-bound response for gravels resulted in about 4 times smaller footing settlements compared to those considering the lower-bound response. Consequently, the exact calibration for the mechanical response of gravels was found to be more crucial, in comparison to the area replacement ratio Ar(%), whose increase from about 11% to 24% led to up to 50% settlement reduction. Furthermore, the additional settlement reduction offered by the densification function was not found to be significant, in comparison to that resulting from the reinforcement function when considering the upper-bound calibration for gravels. Nevertheless, when considering the lower-bound calibration for gravels, the effects of the reinforcement and densification functions on reducing the footing settlements are both small. Therefore, both these effects are considered equivalent in this case. Regarding the effectiveness of the multi-functional operation of gravel piles, when considering the lower-bound response for gravels, the results show that both the area replacement ratio Ar(%) and the relative permeability K* are important parameters. However, when considering the upper-bound response for gravels, the results showed that the relative permeability K* is not an important parameter, unlike the area replacement ratio Ar(%) that continues to be significant (i.e., 50% settlement reduction for an Ar(%) increase from about 11% to 24%). Overall, the multi-functional operation of gravel piles with the lower-bound response for gravels resulted in 36%-77% settlement reduction in comparison to that of the unimproved footing, while the corresponding settlement reduction range when considering the upper-bound calibration for gravels was found much greater (equal to 77% - 91%). Finally, the study points out that both maximum acceleration of the seismic excitation and footing load reduce the effectiveness of any given gravel pile grid in terms of settlement reduction. Of these two parameters, the footing load plays the most important role in mitigation effectiveness. In general, the settlement reduction that is provided by a grid of gravel piles is related to the decrease of excess pore-water pressures under the footing, or even the buildup of negative excess pore-water pressures due to dilatancy. As a consequence, an increase of ground stiffness below the footing is observed (in comparison to the unimproved footing), which prevents the decrease of accelerations reaching the footing or even leads to its amplification. Finally, with respect to existing design methods for grids of gravel piles take into account only the drainage effect, the present study shows that the complex multi-functional operation of gravel piles is much more effective in reducing the footing settlements. Particularly, it leads to 1.5-2.8 times smaller settlements in comparison to those from the individually acting drainage function. Consequently, such design methods, if proven to be conservative in practice, this is not due to the drainage function exclusively.	en
heal.advisorName	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	158 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false
heal.fullTextAvailability	false