Μακροχρόνιες παραμορφώσεις επιχωμάτων επί οργανικών εδαφών: Ανάλυση με πεπερασμένα στοιχεία

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετάται η συμπεριφορά των εδαφικών σχηματισμών σε περιπτώσεις κατασκευής επιχωμάτων οδοποιίας σε οργανικά εδάφη. Η προσέγγιση του θέματος πραγματοποιήθηκε με τη χρήση προγράμματος πεπερασμένων στοιχείων, μέσω αριθμητικών προσομοιώσεων και αναλύσεων. Έπειτα από την απαραίτητη βιβλιογραφική ανασκόπηση βασικών εννοιών, η εργασία εξετάζει σε πρώτο στάδιο τη δυνατότητα προσομοίωσης της μακροχρόνιας συμπεριφοράς ενός πραγματικού επιχώματος οδοποιίας, μέσω της χρήσης συγκεκριμένου προγράμματος πεπερασμένων στοιχείων (Plaxis). Με την ολοκλήρωση της υπολογιστικής διαδικασίας, τα αποτελέσματα των τιμών των παραμορφώσεων της αριθμητικής ανάλυσης, συγκρίνονται με τα αποτελέσματα του αντίστοιχου πραγματικού προβλήματος. Η σύμπνοια των αποτελεσμάτων αποδεικνύει την αξιόπιστη και επιτυχή απόδοση του προγράμματος και κατά συνέπεια, την καταλληλότητά του στην αριθμητική μοντελοποίηση παρόμοιων περιπτώσεων. Στη συνέχεια, η εργασία προχωρά στην υλοποίηση παραμετρικών αναλύσεων, με στόχο τη γενικότερη προσέγγιση του προβλήματος κατασκευής επιχωμάτων επί οργανικών εδαφών. Έπειτα από την πραγματοποίηση διερευνητικών προσομοιώσεων, επιλέγονται τελικά τρεις κρίσιμοι παράγοντες για την ανάδειξη της συμπεριφοράς των οργανικών στρωμάτων, οι οποίοι και θεωρούνται ως μεταβλητές στα πλαίσια των παραμετρικών αναλύσεων: το μέτρο ελαστικότητας Ε του οργανικού στρώματος, το πάχος του και η απόστασή του από τη στάθμη θεμελίωσης του επιχώματος. Ερμηνεύοντας τα αποτελέσματα, προκύπτει αρχικά, η άμεση επίδραση της παρουσίας των οργανικών στις κατακόρυφες παραμορφώσεις (καθιζήσεις), ενώ η επίδρασή τους στις οριζόντιες παραμορφώσεις είναι μεν αξιοσημείωτη, αλλά σαφώς μικρή σε σχέση με τις κατακόρυφες. Ως προς τις παραμέτρους-μεταβλητές, αποδεικνύεται ποσοτικά η μείωση των καθιζήσεων με την ταυτόχρονη αύξηση του μέτρου ελαστικότητας των οργανικών εδαφών. Επίσης, η αύξηση του πάχους των (με ταυτόχρονη μείωση του πάχους των μη οργανικών εδαφών, έτσι ώστε τελικά να διατηρείται σταθερή η γεωμετρία του μοντέλου), προκαλεί σημαντική αύξηση των κατακόρυφων κινήσεων. Τέλος, κατά την απομάκρυνση της θέσης του στρώματος των οργανικών εδαφών από την επιφάνεια έδρασης του επιχώματος (διατηρώντας και πάλι σταθερή τη συνολική γεωμετρία του προβλήματος), συντελείται μείωση του μεγέθους των καθιζήσεων.

Long-term deformations of embankments on organic soils: Analysis with finite elements. Supervisor: Professor Dimitrios Kaliampakos. Τhe diploma thesis deals with the mechanical behavior of soil formations, in cases of the construction of embankments on organic soils. The problem was studied through numerical simulation and analyses using a finite element program. More specifically, after the necessary literature review, the ability of a specific finite element program (Plaxis) to simulate the behavior of a real highway embankment is examined (validation). The results of the numerical analysis in terms of deformations were compared to those of the case study. The agreement of the results of the simulations with those of the actual problem proves the reliability of the program in these type of problems and consequently its suitability in modeling similar cases. Based on this, the objective of the second step of the research was to estimate the behavior of organic soils that lie under embankments, through parametric analyses. After the performance of a set of preliminary simulations, three critical factors were chosen as variables in order to approach the behavior of the organic layers: the Young’s modulus E, the thickness and the distance of the organic layer from the embankment’s foundation level. For each case, conclusions were drawn for the resulting soil deformations. The interpretation of the results showed that the presence of the organic layer affected directly the vertical displacements. The impact on the horizontal displacements was noteworthy, but clearly less than on the vertical. In regard to the variables, the reduction of the deformations is proven and calculated, at the simultaneous increase of the Young’s modulus of the organic soils. Moreover, the increase of the thickness of the organic layers, while the overall geometric boundaries of the problem remain the same, causes remarkable increase of the settlements. Finally, the settlements were reduced during the removal of the organic layer from the burial surface of the embankment, again while the total thickness of the model’s geometry and the layer’s respectively, remains invariable.