Αριθμητική διερεύνηση πλευρικής εξάπλωσης οριζόντιας εδαφικής στρώσης προς αναβαθμό

Νικολάου, Πολύδωρος; Nikolaou, Polydoros

dc.contributor.author	Νικολάου, Πολύδωρος	el
dc.contributor.author	Nikolaou, Polydoros	en
dc.date.accessioned	2024-05-14T07:32:54Z
dc.date.available	2024-05-14T07:32:54Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/59345
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.27041
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/gr/	*
dc.subject	Ρευστοποίηση	el
dc.subject	Αναβαθμός	el
dc.subject	Liquefaction	en
dc.subject	Numerical	en
dc.subject	Free face	en
dc.subject	Lateral	en
dc.subject	Spreading	en
dc.subject	Πλευρική	el
dc.subject	Εξάπλωση	el
dc.subject	Αριθμητική	el
dc.title	Αριθμητική διερεύνηση πλευρικής εξάπλωσης οριζόντιας εδαφικής στρώσης προς αναβαθμό	el
dc.title	Numerical investigation of lateral spreading of a horizontal soil layer towards a free-face	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Πολιτική μηχανική	el
heal.classification	Γεωτεχνική	el
heal.classification	Ρευστοποίηση	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2023-11-03
heal.abstract	Ένα από τα φαινόμενα που καλείται να αντιμετωπίσει ο Πολιτικός Μηχανικός κατά τον σχεδιασμό και την κατασκευή έργων σε χαλαρά κορεσμένα χονδρόκοκκα εδάφη, είναι η πλευρική εξάπλωση του εδάφους λόγω σεισμικής ρευστοποίησης, όταν αυτό έχει ήπια κλίση ή όταν βρίσκεται πλησίον αναβαθμού. Η μελέτη της πλευρικής εξάπλωσης στη διεθνή βιβλιογραφία βασίζεται κυρίως σε ιστορικά περιστατικά, και δευτερευόντως σε αριθμητικές προσεγγίσεις. Έχουν προταθεί εμπειρικές σχέσεις εκτίμησης της οριζόντιας μετακίνησης της επιφάνειας του εδάφους (π.χ., Youd et al. 2002), αλλά ως σύνολο η σχετική μελέτη είναι μάλλον ελλιπής, καθώς κρίσιμες εκφάνσεις της εδαφικής απόκρισης δεν έχουν ποσοτικοποιηθεί (π.χ., η εμφάνιση καθιζήσεων/ανυψώσεων, πέραν της οριζόντιας μετατόπισης του εδάφους). Η εργασία αυτή στοχεύει στη συμπλήρωση της σχετικής βιβλιογραφίας, για την περίπτωση της πλευρικής εξάπλωσης οριζόντιας στρώσης πλησίον αναβαθμού. Η διερεύνηση του φαινομένου γίνεται με χρήση της μεθόδου πεπερασμένων διαφορών (FLAC 2D, Itasca Inc. 2011), και εξετάζεται παραμετρικά η επίδραση του ύψους Η του αναβαθμού και των λεπτομερειών του γεωτεχνικού προφίλ (π.χ., η ύπαρξη μη-ρευστοποιήσιμης αργιλικής στρώσης) στην απόκριση του πλευρικώς εξαπλούμενου εδάφους. Για την προσομοίωση της άμμου χρησιμοποιείται το καταστατικό προσομοίωμα NTUA–SAND (Andrianopoulos et al. 2010), ενώ για την προσομοίωση της αργιλικής στρώσης γίνεται χρήση του καταστατικού προσομοιώματος Mohr-Coulomb. Χάριν απλότητας, ως διέγερση θεωρείται μια ισχυρή αρμονική κίνηση. Ως γνωστόν, η σχέση εκτίμησης των οριζοντίων μετατοπίσεων Dh στην επιφάνεια του εδάφους των Youd et al. (2002) προτείνεται προς χρήση για την περιοχή πίσω από τη στέψη του αναβαθμού και για αποστάσεις L ≥ 5Η από τον πόδα. Προκύπτει ότι για αποστάσεις 0 < L < 5Η οι οριζόντιες μετατοπίσεις Dh στην επιφάνεια του εδάφους αυξάνουν ραγδαία (π.χ. έως και κατά 100%) σε σχέση με την τιμή που προβλέπεται σε απόσταση L = 5H. Με το βάθος από την επιφάνεια, οι τιμές των οριζοντίων μετατοπίσεων είναι μικρότερες ή ίσες με αυτές στην επιφάνεια, αλλά σε βάθος 2Η παραμένουν σαφώς μη-μηδενικές. Προκύπτει επίσης ότι η πλευρική εξάπλωση οριζόντιου εδάφους δεν δημιουργεί μόνο οριζόντιες μετατοπίσεις Dh προς τον αναβαθμό στην περιοχή πίσω από τη στέψη που φθίνουν με την απόσταση L, αλλά και αντιστοίχου μεγέθους οριζόντιες μετατοπίσεις στην ίδια διεύθυνση και στην περιοχή μπροστά από τον πόδα, οι οποίες επίσης φθίνουν με την απόσταση από τον πόδα. Υπογραμμίζεται ότι στη βιβλιογραφία δεν γίνεται αναφορά σε οριζόντιες εδαφικές μετατοπίσεις Dh μπροστά από τον πόδα. Επιπλέον, η πλευρική εξάπλωση οριζόντιου εδάφους δημιουργεί και σημαντικές κατακόρυφες εδαφικές μετατοπίσεις Dv, ήτοι καθιζήσεις πίσω από τη στέψη και ανυψώσεις μπροστά από τον πόδα του αναβαθμού. Αυτές οφείλονται στη μορφή της εδαφικής παραμόρφωσης πλησίον του αναβαθμού που ομοιάζει ευρείας περιστροφικής αστοχίας που φθάνει σε βάθος λίγο πάνω από τον πυθμένα της ρευστοποιήσιμης στρώσης με κέντρο περιστροφής περίπου πάνω από τον πόδα. Υπογραμμίζεται ότι στη βιβλιογραφία δεν γίνεται καμία αναφορά σε κατακόρυφες εδαφικές μετατοπίσεις Dv. Οι παραμετρικές αναλύσεις υποδεικνύουν επίσης ότι όσο αυξάνει το ύψος του αναβαθμού H, τόσο αυξάνουν οι οριζόντιες Dh και κατακόρυφες Dv μετατοπίσεις. Το ύψος Η δεν υπεισέρχεται άμεσα στις εμπειρικές σχέσεις της βιβλιογραφίας (π.χ., στη σχέση των Youd et al. 2002), αλλά αποδεικνύεται σημαντική παράμετρος. Αυτό επειδή μεγαλύτερου ύψους αναβαθμοί με το ίδιο, κατά τα άλλα, κοκκώδες έδαφος έχουν και στατικά μικρότερη ευστάθεια (λόγω της προαναφερθείσας ευρείας περιστροφικής αστοχίας), οπότε οδηγούνται σε εντονότερη συσσώρευση μετατοπίσεων υπό την ίδια διέγερση. Σε ποιοτική συμφωνία με τη βιβλιογραφία, προκύπτει ότι η ύπαρξη αργιλικής στρώσης πάχους hc μειώνει τις μετατοπίσεις του εδάφους λόγω πλευρικής εξάπλωσης. Επιπλέον, όμως, προκύπτει ότι και το βάθος zc της αργιλικής στρώσης παίζει ρόλο στον καθορισμό των μετατοπίσεων, και αυτή είναι μια παράμετρος που δεν υπεισέρχεται στις εμπειρικές σχέσεις της βιβλιογραφίας (π.χ. στη σχέση των Youd et al. 2002). Πιο σημαντικά, αποδεικνύεται ότι οι μετατοπίσεις του εδάφους είναι σαφώς μικρότερες στην περιοχή του αναβαθμού όταν υπάρχει αργιλική στρώση που είτε φθάνει ή βρίσκεται κάτω από τον πόδα, δηλαδή όταν (hc + zc)/H ≥ 1. Ταυτόχρονα όμως, οι μετατοπίσεις του εδάφους δεν απομειώνονται σημαντικά με την απόσταση L/H στην περίπτωση αυτή. Δηλαδή το (μη-ρευστοποιήσιμο) αργιλικό έδαφος σε μεγάλο βάθος λειτουργεί ως «φρένο» της πλευρικής εξάπλωσης προς τον αναβαθμό. Τέλος, με βάση τα αποτελέσματα των αριθμητικών αναλύσεων, προτείνονται εμπειρικές σχέσεις εκτίμησης των κανονικοποιημένων μετατοπίσεων Dh/Dh(5H), Dv/Dh, Dv/Dh(5H) και Dh,2H/Dh προς την αδιάστατη απόσταση L/H, όπου Dh(5H) είναι η εκτίμηση της μετατόπισης σε απόσταση L = 5H με βάση σεισμολογικά, γεωτεχνικά και τοπογραφικά δεδομένα (Youd et al. 2002) και Dh,2H είναι η οριζόντια εδαφική μετακίνηση σε βάθος 2Η (από την επιφάνεια του εδάφους πίσω από τη στέψη). Οι σχέσεις αυτές αφορούν τόσο για την περιοχή πίσω από τη στέψη, όσο και εκείνη μπροστά από τον πόδα (όπου L/H < 0). Επισημαίνεται ότι η πλήρης ποσοτικοποίηση των μετατοπίσεων Dh, Dv και Dh,2H με βάση τις προτεινόμενες σχέσεις προϋποθέτει εκτίμηση της μετατόπισης Dh(5H). Συνεπώς, οι προτεινόμενες σχέσεις λειτουργούν συνεργατικά με τη σχέση των Youd et al. (2002).	el
heal.abstract	One of the challenges a civil engineer deals during the design and construction on loose saturated coarse-grained soils is the lateral spreading of the soil due to seismic liquefaction, due to either gentle sloping or proximity to a free-face. The study of lateral spreading in international literature is primarily based on case histories, rather than computational work. Such efforts have led to empirical relations for estimating the horizontal displacement of the ground surface (e.g., Youd et al. 2002), which however do not give the full picture of the soil response (e.g., there is no quantification for the settlement/uplift of the ground surface). This Diploma thesis aims to supplement the aforementioned literature in regard to the lateral spreading of horizontal layers in the proximity of a free-face. The investigation is carried out using the finite difference method (FLAC 2D, Itasca Inc. 2011), and studies the effects of the height H of a free-face and of the geotechnical profile of the soil (e.g., the presence of a non-liquefiable clay layer) on the response of the laterally spreading soil. The NTUA-SAND constitutive model (Andrianopoulos et al. 2010) is used to simulate the sand layer, while the Mohr-Coulomb constitutive model is used to simulate the clay layer. A sinusoidal acceleration time history has been used to simulate the seismic excitation. The empirical relation of Youd et al. (2002) for estimating the horizontal displacements Dh at the ground surface is proposed for use for the region behind the free-face and for distances L ≥ 5H from the toe of the free-face. This work shows that for distances 0 < L < 5H, the horizontal displacements Dh at the ground surface increase rapidly (e.g., up to 100%) relative to the value predicted at a distance of L = 5H. The value of horizontal displacement at greater depths is less or equal to that at the ground surface, but even at a depth of 2H it remains clearly non-zero. It is also shown that lateral spreading is associated not only with horizontal displacements Dh towards the free- face in the region behind it (that decrease with distance L), but also with horizontal displacements of similar magnitude in the same direction and in the region in front of the toe (which also decrease with distance from it). It is emphasized here that in the studied literature there is no reference to horizontal ground displacements Dh in front of the free face. In addition, this study shows that the lateral spreading of a horizontal layer also generates significant vertical soil displacements Dv, i.e., settlement behind the crest and uplift in front of the toe of the free-face. These are due to the manner by which the geostructure deforms, via a wide rotational failure reaching a depth just above the bottom of the liquefiable layer with the center of rotation approximately above the toe of the free-face. As above, there is no reference to vertical ground displacements Dv in the studied literature. The parametric analyses also indicate that as the height H of the free-face increases, so do the horizontal Dh and vertical Dv displacements. Hence, despite that the height H turns out to be an important problem parameter, it is not included directly in the studied empirical relations from the literature (e.g., in that of Youd et al. 2002). The depicted effect of H is attributed to the fact that a taller free-face for the same granular soil has a lower static factor of safety (against the aforementioned rotational failure), so larger displacements are induced under the same excitation. Furthermore, in agreement with the literature, the existence of a clay layer of thickness hc reduces soil displacements due to lateral spreading. More importantly, it is found that the depth zc of the clay layer also plays a role in determining displacements, but this parameter is not considered in the pertinent empirical relations from the literature (e.g., in that of Youd et al. 2002). Moreover, it appears that soil displacement is evidently smaller in the region of the free-face when there is a clay layer that either reaches or lies below the tow elevation, i.e., when (hc + zc)/H ≥ 1. Concurrently, soil displacement does not decrease with an increase of the L/H distance, suggesting that the (non-liquefiable) clayey soil at great depth acts as a "brake" on the lateral spreading towards the free-face. In conclusion, empirical relations are proposed based on the results of the numerical analyses, estimating the normalized displacements Dh/Dh(5H), Dv/Dh, Dv/Dh(5H) and Dh,2H/Dh as functions of the dimensionless distance L/H. In these ratios, the Dh(5H) is the estimate of the ground surface displacement at distance L = 5H, based on seismological, geotechnical and topographic data according to Youd et al. (2002). Similarly, the Dh,2H is the horizontal ground displacement at a depth of 2H (from the ground surface behind the crest). These relations provide estimates for both the area behind the crest and that in front of the toe of the free-face (where L/H < 0). Note that also that the complete quantification of the Dh, Dv and Dh,2H displacements based on the proposed relations presupposes an estimate of the Dh(5H) displacement. Therefore, the proposed relations work synergistically with the empirical relation of Youd et al. (2002) for horizontal ground displacement due to lateral spreading in the proximity of a free-face.	en
heal.advisorName	Παπαδημητρίου, Αχιλλέας	el
heal.advisorName	Papadimitriou, Achilleas	en
heal.committeeMemberName	Γερόλυμος, Νικόλαος	el
heal.committeeMemberName	Αντώνιος, Ζερβός	el
heal.committeeMemberName	Gerolymos, Nikolaos	en
heal.committeeMemberName	Antonios, Zervos	en
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών. Τομέας Γεωτεχνικής	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	85 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false
heal.fullTextAvailability	false