Ανάλυση της εγκάρσιας φόρτισης πασσάλου σε συνεκτικά εδάφη με αριθμητικές μεθόδους

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία αποσκοπεί στη μελέτη της εγκάρσιας φόρτισης μεμονωμένου πασσάλου ελεύθερα στρεπτής κεφαλής από οπλισμένο σκυρόδεμα σε μαλακή, κορεσμένη άργιλο υπό αστράγγιστες συνθήκες. Υιοθετείται γραμμική κατανομή της αστράγγιστης διατμητικής αντοχής της αργίλου με το βάθος. Το συγκεκριμένο πρόβλημα μελετάται με χρήση αριθμητικών, αναλυτικών και ημι-εμπειρικών μεθόδων για την προσομοίωση της αλληλεπίδρασης εδάφους-πασσάλου. Αρχικά, παρουσιάζονται μέθοδοι επίλυσης του προβλήματος εγκάρσιας φόρτισης πασσάλου με χρήση απλοποιητικών παραδοχών όπως η θεώρηση ιδεώδους εδάφους Winkler. Επιπλέον, εισάγεται και ερμηνεύεται η μέθοδος προσομοίωσης του εδάφους με χρήση μη-γραμμικών καμπύλων p-y εδαφικής αντίδρασης - οριζόντιας μετατόπισης. Αναλύεται η διαδικασία χάραξης μη-γραμμικών καμπύλων p-y σύμφωνα με τις εξής μεθοδολογίες: Matlock (1970), Νορβηγικοί Κανονισμοί (DnV 1977) και Γεωργιάδη (2010). Για την εκάστοτε μεθοδολογία διερευνάται παραμετρικά η επιρροή επιλεγμένων συντελεστών στη μορφή των καμπύλων p-y. Οι μη-γραμμικές καμπύλες p-y των ανωτέρω μεθοδολογιών εισάγονται σε κατάλληλο λογισμικό με σκοπό την πρόβλεψη καμπύλων εγκάρσιου φορτίου - οριζόντιας μετατόπισης κεφαλής και κατανομών οριζόντιων μετατοπίσεων και καμπτικών ροπών κατά μήκος του πασσάλου. Τα παραπάνω διαγράμματα χρησιμοποιούνται σε μία προσπάθεια σύγκρισης των υφιστάμενων μεθοδολογιών χάραξης καμπύλων p-y. Οι έντονες διαφορές που παρατηρούνται μεταξύ των αποτελεσμάτων υπαγορεύουν τη διερεύνηση της οριακής εδαφικής αντίδρασης κατά μήκος του πασσάλου (pult). Στην πορεία της εργασίας χρησιμοποιείται ο κώδικας πεπερασμένων στοιχείων Abaqus 6.10 για τη μόρφωση τριδιάστατου αριθμητικού προσομοιώματος πασσάλου-εδάφους. Εξετάζεται η επιρροή του αστράγγιστου μέτρου ελαστικότητας (Eu), του συντελεστή οριζόντιων γεωστατικών τάσεων (ko) και του συντελεστή διεπιφάνειας πασσάλου-εδάφους (α) σε ενδεικτικά αποτελέσματα παραμετρικών αναλύσεων. Ειδικότερα, συγκρίνονται διαγραμματικά καμπύλες p-y, καμπύλες εγκάρσιου φορτίου-οριζόντιας μετατόπισης κεφαλής και κατανομές οριζόντιων μετατοπίσεων και καμπτικών ροπών κατά μήκος του πασσάλου. Η συμπεριφορά του εδάφους καθορίζεται από συγκεκριμένο ελαστικό-απολύτως πλαστικό καταστατικό προσομοίωμα. Στο τελικό μέρος της εργασίας επιχειρείται ο προσδιορισμός της οριακής εδαφικής αντίδρασης (pult) από τα αποτελέσματα αναλύσεων πεπερασμένων στοιχείων. Η συγκεκριμένη προσπάθεια στοχεύει στην εκτίμηση εύρους τιμών του συντελεστή οριακής εδαφικής αντίδρασης (Νp) και τη χάραξη συγκεντρωτικών διαγραμμάτων κατανομής του εν λόγω συντελεστή με το βάθος. Τέλος, συγκρίνονται τα αποτελέσματα εντατικών και παραμορφωσιακών μεγεθών κατά μήκος του πασσάλου, όπως υπολογίζονται από τις προαναφερθείσες μεθοδολογίες χάραξης καμπύλων p-y, με τα αντίστοιχα των αριθμητικών αναλύσεων.

The purpose of the present diploma thesis is the study of the undrained lateral response of a single, free-head, reinforced concrete pile in soft saturated clays. A linear distribution of the undrained shear strength with depth is being adopted. The specific problem is analyzed using numerical, analytical and semi-empeirical methods for the simulation of the pile-soil interaction. At the beginning, analytical methods are presented for solving the problem of the laterally loaded pile based on simplifying assumptions, such as the approach of the ideal Winkler soil. In addition, soil simulation using non-linear p-y curves (soil resistance - horizontal displacement) is thoroughly presented. The procedure for computation of p-y curves according to the following methodologies is demonstrated: Matlock (1970), Norwegian Regulations (DnV 1977) and Georgiadis (2010). A parametric study of specific factors dominating the form of p-y curves is carried out for each of these methodologies. The non-linear p-y curves of the above methodologies are imported into a suitable software in order to predict diagrams of the lateral load versus horizontal displacement of the pile head and curves demonstrating the distribution of the horizontal displacement and bending moment along the pile. A comparison of existing methodologies for the development of p-y curves is attempted through the aforementioned graphs. The striking differences observed, impose the investigation of the ultimate soil resistance along the pile (pult). Subsequently, the computer finite element code Abaqus 6.10 is used for the three-dimensional numerical simulation of the pile-soil interaction. The influence of the undrained modulus of elastictity (Eu), coefficient of subgrade reaction (ko) and adhesion factor (α) on the results of parametric analyses is studied. Specifically, p-y curves, diagrams of the lateral load versus horizontal displacement of the pile head and curves demonstrating the distribution of the horizontal displacement and bending moment along the pile are compared. The behavior of the soil is controlled by a specific elastic-perfectly plastic constitutive model. In the final part of the thesis, the determination of the ultimate soil resistance (pult) is attempted based on the results of the finite element analyses. The specific procedure aims at the estimation of a range of values for the ultimate soil resistance coefficient (Np) and the derivation of summarized diagrams depicting the distribution of the above coefficient with depth. Finally, the results of structural variables along the pile calculated through the aforementioned methodologies for the computation of p-y curves are compared to the numerical analyses results.