Αριθμιτική προσομοίωση απόκρισης εδαφών και θεμελιώσεων μετά από σταθεροποίηση με κολλοειδή πυριτία έναντι ρευστοποίησης

Pavlopoulou, Anastasia; Παυλοπούλου, Αναστασία

dc.contributor.author	Pavlopoulou, Anastasia	en
dc.contributor.author	Παυλοπούλου, Αναστασία	el
dc.date.accessioned	2022-11-14T09:53:18Z
dc.date.available	2022-11-14T09:53:18Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/56130
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.23828
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	Σεισμική απόκριση	el
dc.subject	Παθητική σταθεροποίηση	el
dc.subject	Κολλοειδής πυριτία	el
dc.subject	Αριθμιτική προσομοίωση	el
dc.subject	Liquefaction	en
dc.subject	Numerical simulation	en
dc.subject	Colloidal silica	en
dc.subject	Passive stabilization	en
dc.subject	Seismic response	en
dc.title	Αριθμιτική προσομοίωση απόκρισης εδαφών και θεμελιώσεων μετά από σταθεροποίηση με κολλοειδή πυριτία έναντι ρευστοποίησης	el
dc.title	Numerical simulation of the response of soils and foundations after their stabilization with colloidal silica against liquefaction	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Γεωτεχνική Μηχανική	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2021-11-05
heal.abstract	Σε θέσεις υφιστάμενων κατασκευών, η χρήση των πλέον διαδεδομένων μεθόδων αποτροπής της σεισμικής ρευστοποίησης (π.χ. δονητική συμπύκνωση, χρήση στραγγιστηρίων) είναι είτε δύσκολη είτε αδύνατη. Σε τέτοιες θέσεις, για την αποτροπή της ρευστοποίησης συνήθως επιλέγονται μικροπάσσαλοι, ενέματα υψηλού ιξώδους, ή προκατασκευασμένα στραγγιστήρια που τοποθετούνται περιμετρικά της κατασκευής. Τέτοιες μέθοδοι 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 κάτω από την κατασκευή), που όμως αυξάνει ραγδαία μετά από ελεγχόμενο χρόνο (όταν φθάσει στη θέση θεμελίωσης). Η αύξηση του ιξώδους μετατρέπει το υγρό των 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 αυτής μεθόδου βελτίωσης εδαφών στην πράξη χρειάζεται και μια μεθοδολογία αριθμητικής προσομοίωσης της σεισμικής συμπεριφοράς του σταθεροποιημένου εδάφους. Μέχρι στιγμής υπάρχει μόνο μία τέτοια μεθοδολογία (Αγαπουλάκη 2017), η οποία προτείνει τη σημαντική μείωση του μέτρου συμπιεστότητας Κ του υγρού των πόρων, συγκριτικά με το μέτρο συμπιεστότητας του νερού Kw (= 2x106 kPa) χωρίς άλλη επέμβαση στις παραμέτρους του καταστατικού προσομοιώματος που αφορά στον εδαφικό σκελετό. Σε κάθε περίπτωση, η εν λόγω προσπάθεια παραμένει σε ερευνητικό στάδιο διεθνώς, καθώς η ως άνω απομείωση είναι μεγαλύτερη από τις λίγες πειραματικές μετρήσεις αυτής. Στόχος της παρούσας εργασίας είναι να προταθεί μια καινούργια μεθοδολογία αριθμητικής προσομοίωσης μέσω συγκρίσεων με πειραματικές μετρήσεις, κυρίως από δυναμικές δοκιμές σε φυγοκεντριστή της βιβλιογραφίας που αφορούν στη σεισμική απόκριση 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. Αυτή η νέα μεθοδολογία προσομοίωσης προέκυψε εν μέρει από την επεξεργασία των πρόσφατων πειραματικών αποτελεσμάτων μιας σειράς μονοτονικών και ανακυκλικών τριαξονικών δοκιμών (σε δοκίμια άμμου Μ31 πριν και μετά από σταθεροποίηση με κολλοειδή πυριτία) των Pavlopoulou and Georgiannou (2021). Από την επεξεργασία των αποτελεσμάτων των εν λόγω δοκιμών προέκυψαν η βαθμονόμηση της φυσικής και της σταθεροποιημένης άμμου Μ31. Δεδομένου ότι οι διαθέσιμες δοκιμές φυγοκεντριστή έχουν εκτελεστεί σε άμμο Nevada και όχι σε άμμο M31 και το προσομοίωμα NTUA-SAND έχει βαθμονομηθεί για φυσική άμμο Nevada έγινε η παραδοχή μιας αναλογίας μεταξύ σταθεροποιημένης και φυσικής άμμου ώστε να υπολογιστούν οι παράμετροι της σταθεροποιημένης άμμου Nevada (με βάση την βαθμονόμηση της άμμου M31). Στη συνέχεια, εκτελέσθηκαν προσομοιώσεις τριών (3) προβλημάτων συνοριακών τιμών, ώστε να διακριβωθεί η αξιοπιστία της νέας μεθοδολογίας, με χρήση της μεθόδου των πεπερασμένων διαφορών μέσω των λογισμικών FLAC και FLAC3D. Ειδικότερα, προσομοιώθηκαν τρεις (3) σειρές δυναμικών δοκιμών φυγοκεντριστή, μία για τη 1D σεισμική απόκριση επίπεδου εδάφους (Gallagher et al. 2007), μία για τη 2D σεισμική απόκριση εδάφους υπό μικρή κλίση (Conlee et al. 2012) και μία για την 3D σεισμική απόκριση πασσαλομάδας σε έδαφος υπό μικρή κλίση (Pamuk et al. 2007). Έτσι, καλύφθηκε ένα αρκετά μεγάλο εύρος προβλημάτων ρευστοποίησης, ώστε να ληφθεί μια ξεκάθαρη εικόνα για την καταλληλότητα εφαρμογής τριών (3) μεθοδολογιών προσομοίωσης της σταθεροποιημένης άμμου. Συγκεκριμένα εξετάσθηκαν: (α) η αναβαθμονόμηση ενός καταστατικού προσομοιώματος που αφορά στον εδαφικό σκελετό (εδώ εμμέσως για της σταθεροποιημένη άμμο Nevada), (β) η υπάρχουσα βέλτιστη προσέγγιση της Αγαπουλάκη (2017) για την αποτύπωση της αλλαγής της φύσης του υγρού των πόρων λόγω της εισπίεσης και (γ) μία προσέγγιση που συνδυάζει τις (α) και (β), δηλαδή την αναβαθμονόμηση του προσομοιώματος ταυτόχρονα με μια ελαφρά μόνο μείωση του μέτρου συμπιεστότητας Κ του υγρού των πόρων. Από τις παραπάνω συγκριτικές αναλύσεις προσομοιώσεων των δοκιμών φυγοκεντριστή συμπεραίνονται τα κάτωθι: • 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 εξετασμένων δοκιμών σε επίπεδο μετακινήσεων, επιταχύνσεων, υπερπιέσεων πόρων, αλλά και καμπτικών ροπών της πασσαλομάδας του πειράματος των Pamuk et al. (2007). • Η αναβαθμονόμηση του καταστατικού προσομοιώματος λόγω σταθεροποίησης της άμμου, χωρίς αλλαγή στο μέτρο συμπιεστότητας του υγρού πόρων συγκριτικά με την τιμή του Κw για το νερό, οδηγεί σε ποιοτικώς ορθά αποτελέσματα, αλλά δεν προσφέρει ποσοτική ακρίβεια. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι η ρευστοποίηση καθυστερεί μεν χρονικά, αλλά δεν αποφεύγεται τελικώς σε καμία από τις προσομοιώσεις, ενώ υπερεκτιμούνται οι μετακινήσεις των σταθεροποιημένων εδαφών σε σχέση με τις πειραματικές μετρήσεις. • Ο συνδυασμός της αναβαθμονόμησης του καταστατικού προσομοιώματος με ελαφρά μείωση του μέτρου συμπιεστότητας Κ (μικρότερη εκείνης της Αγαπουλάκη 2017) οδηγεί σε ελαφρώς ακριβέστερα αποτελέσματα συγκριτικά με την υπάρχουσα βέλτιστη πρόταση. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι επιτυγχάνεται ελαφρώς ακριβέστερη προσομοίωση των μετακινήσεων των σταθεροποιημένων άμμων.	el
heal.abstract	At areas of existing structures, the mitigation of seismic liquefaction via conventional ground improvement methods (e.g., vibro-compaction, use of drains) is either difficult or impossible to implement. In such cases, the most common mitigation methods (micropiles, high viscosity grouting, perforated drains) applied at the perimeter of the structure 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 and promising 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 (thus allowing its easy injection). Its viscosity gradually increases after well-controlled time, when the material 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 this new improvement method in practice requires a methodology for numerical simulation of the seismic response of stabilized soils. Until now there is only one pertinent methodology (Agapoulaki 2017), which proposes the significant reduction of the compressibility modulus of the pore fluid in comparison to that of the water Kw (= 2x106 kPa) without altering the constants of the constitutive model that refers to the sand skeleton. The scope of this thesis is to propose a new numerical methodology based on 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 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. This new simulation methodology came about partly from the processing of the recent series of monotonic and cyclic triaxial tests performed by Pavlopoulou and Georgiannou (2021) on both untreated and treated M31 sand samples. The processing of the results led to the calibration of the treated and untreated sand M31. Since the available centrifuge tests were performed on Nevada sand rather than M31 and the NTUA-SAND model was calibrated for untreated Nevada sand, a calibration ratio between model parameters for treated and untreated sand was assumed in order to calculate the parameters of the treated Nevada sand (on the basis of the calibration of M31 sand). 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 the1D 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 problems where liquefaction occurs, thus providing a reliable validation procedure of the examined simulation methodologies. These include: (a) the re-calibration of a constitutive model for the sand skeleton (here indirectly for stabilized Nevada sand), (b) the significant reduction of the pore fluid bulk modulus K (the optimal existing methodology according to Agapoulaki 2017) for reflecting the change in nature of the pore fluid due to gelation and (c) a combination of (a) and (b) above, i.e. the re-calibration of the constitutive model concurrently with a mild reduction of the pore fluid bulk modulus K. From the above comparison of numerical simulations, the following conclusions were driven: • The significant reduction of the pore fluid modulus K, without any 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 re-calibration of the constitutive model due to sand stabilization, without any change in the pore fluid bulk modulus from its value Kw for water, leads to qualitatively accurate results, but does not provide quantitative accuracy. Indicatively, liquefaction is delayed, but is not avoided in any of the simulations, while displacements of stabilized sands are over-predicted in comparison to experimental measurements.  The combination of re-calibration of the constitutive model 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 of stabilized sands is ensured.	en
heal.advisorName	Παπαδημητρίου, Αχιλλέας	el
heal.advisorName	Papadimitriou, Achilleas	en
heal.committeeMemberName	Γεωργιάννου, Βασιλική	el
heal.committeeMemberName	Παπαδημητρίου, Αχιλλέας	el
heal.committeeMemberName	Γεώργιος, Μπουκοβάλας	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών. Τομέας Γεωτεχνικής	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	119 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false
heal.fullTextAvailability	false