Παραμετρική αριθμητική διερεύνηση πλευρικής εξάπλωσης λόγω ρευστοποίησης πλησίον αναβαθμού

Χούτκα, Μαριγκλέν; Choutka, Marigklen

dc.contributor.author	Χούτκα, Μαριγκλέν	el
dc.contributor.author	Choutka, Marigklen	en
dc.date.accessioned	2025-04-11T08:21:11Z
dc.date.available	2025-04-11T08:21:11Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/61676
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.29372
dc.rights	Default License
dc.subject	Πλευρική	el
dc.subject	Εξάπλωση	el
dc.subject	Αναβαθμός	el
dc.subject	Ρευστοποίηση	el
dc.subject	Άμμος	el
dc.subject	Lateral	en
dc.subject	Spreading	en
dc.subject	Free	en
dc.subject	Face	en
dc.subject	Liquefaction	en
dc.title	Παραμετρική αριθμητική διερεύνηση πλευρικής εξάπλωσης λόγω ρευστοποίησης πλησίον αναβαθμού	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Εδαφοδυναμική	el
heal.language	el
heal.access	campus
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2024-10
heal.abstract	Το φαινόμενο της πλευρικής εξάπλωσης λόγω ρευστοποίησης είναι ένας σεισμικός κίνδυνος που πρέπει να αντιμετωπίσει ένας Πολιτικός Μηχανικός κατά τον σχεδιασμό κατασκευών, σε χαλαρά χονδρόκοκκα κορεσμένα εδάφη, όταν το έδαφος παρουσιάζει ήπια κλίση, βρίσκεται σε γειτνίαση με αναβαθμό ή ακόμη και στον συνδυασμό αυτών των δύο. Η αντιμετώπιση του φαινομένου μέχρι στιγμής βασίζεται κυρίως σε δεδομένα ιστορικών περιπτώσεων ρευστοποίησης και δευτερευόντως αξιοποιούνται αριθμητικές προσομοιώσεις. Από την βιβλιογραφία προτείνονται εμπειρικές σχέσεις για την πρόβλεψη των οριζόντιων μετατοπίσεων στην επιφάνεια του εδάφους πλησίον αναβαθμού (π.χ., Youd et al. 2002), ωστόσο η έρευνα του φαινομένου παραμένει ατελής, καθώς για σημαντικούς παράγοντες της εδαφικής απόκρισης δεν υφίσταται ποσοτική εκτίμηση (π.χ., οι καθιζήσεις και ανυψώσεις του εδάφους κατά την πλευρική εξάπλωση). Η αριθμητική μεθοδολογία που ακολουθήθηκε περιλαμβάνει την χρήση του λογισμικού πεπερασμένων διαφορών FLAC 2D v.7.0 (Itasca Inc. 2011). Μέσω των αποτελεσμάτων των αριθμητικών αναλύσεων διεξάγεται παραμετρική διερεύνηση της επίδρασης του ύψους του αναβαθμού Η και του γεωτεχνικού προφίλ (π.χ., πάχος και βάθος αργιλικής στρώσης) στην πλευρική εξάπλωση ενός οριζόντιου εδάφους πλησίον αναβαθμού. Ως καταστατικά προσομοιώματα για τα εδάφη, χρησιμοποιήθηκε το NTUA-SAND των Andrianopoulos et al. (2010) για την ρευστοποιήσιμη άμμο και το καταστατικό προσομοίωμα Mohr – Coulomb (με απόσβεση στην ελαστική περιοχή) για την αργιλική στρώση. Ως σεισμική διέγερση χρησιμοποιήθηκε μια έντονη αρμονική διέγερση στη βάση, ενώ οι κάνναβοι ήταν πολύ ευρείς για αποφυγή επίδρασης των συνόρων στο φαινόμενο πλησίον του αναβαθμού. Είναι κοινώς αποδεκτό πως η εμπειρική σχέση των Youd et al. (2002) προτείνεται αξιόπιστα για εκτίμηση της οριζόντιας μετατόπισης Dh σε αποστάσεις L ≥ 5H ανάντη από τον πόδα του αναβαθμού. Τα αποτελέσματα των αναλύσεων επιβεβαιώνουν την ορθότητα της σχέσης και δείχνουν ότι μπορεί να προεκταθεί η χρήση της σχέσης και στην στενή γειτονιά ανάντη του πόδα του αναβαθμού (όπου 0 < L/H < 5), με αυξημένες τιμές Dh που έχουν άνω όριο την τιμή Dhmax στον πόδα του αναβαθμού (όπου L/H = 0). Η τιμή της Dhmax είναι σημαντικά μεγαλύτερη (π.χ., 2.5 φορές) από την τιμή της Dh,ref που είναι η μετατόπιση Dh σε απόσταση L = 5H ανάντη του πόδα από την σχέση των Youd et al. (2002). Μάλιστα, προκύπτει ότι ο λόγος Dhmax/Dh,ref αυξάνει με το ύψος του αναβαθμού Η. Οι αναλύσεις δείχνουν επίσης ότι το φαινόμενο της πλευρικής εξάπλωσης πλησίον αναβαθμού δημιουργεί οριζόντιες μετατοπίσεις και κατάντη του πόδα, και όχι μόνο στην περιοχή ανάντη αυτού (όπου όλες οι εμπειρικές σχέσεις της βιβλιογραφίας επικεντρώνονται). Οι οριζόντιες μετατοπίσεις αυτές φθίνουν με την απόσταση L/H από τον πόδα, και μάλιστα με εντονότερο ρυθμό απομείωσης με την απόσταση L/H στην κατάντη πλευρά συγκριτικά με την ανάντη. Παράλληλα, πέρα από οριζόντιες μετατοπίσεις Dh, το φαινόμενο της πλευρικής εξάπλωσης δημιουργεί και κατακόρυφες μετατοπίσεις Dv της επιφάνειας του εδάφους. Ο λόγος είναι ότι η περιοχή κοντά στον αναβαθμό εμφανίζει τα χαρακτηριστικά ευρείας περιστροφικής εδαφικής αστοχίας περί σταθερού σημείου πάνω από τον πόδα με επιφάνεια ολίσθησης που φθάνει έως το τέλος της ρευστοποιήσιμης στρώσης. Αυτό συνεπάγεται εμφάνιση ανυψώσεων μπροστά από τον πόδα και καθιζήσεων πίσω από III αυτόν. Οι ανυψώσεις είναι περίπου το 80% των καθιζήσεων, κατ’ απόλυτη τιμή, ενώ όλες οι κατακόρυφες μετατοπίσεις φθίνουν έντονα με την απόσταση L/H (πρακτικώς μηδενίζονται σε απόσταση L = 10H). Υπογραμμίζεται ότι οι οριζόντιες μετατοπίσεις Dh είναι συνήθως πολύ μεγαλύτερες από τις κατακόρυφες μετατοπίσεις Dv σε κάθε θέση, δηλαδή το φαινόμενο χαρακτηρίζεται κυρίως από τις οριζόντιες μετατοπίσεις, κάτι που δικαιολογεί τον όρο πλευρική (ήτοι οριζόντια) εξάπλωση. Επιπροσθέτως, οι παραμετρικές αναλύσεις δείχνουν σημαντική συσχέτιση του ύψους αναβαθμού Η με το σχετικό μέγεθος των οριζόντιων Dh και κατακόρυφων μετατοπίσεων Dv . Πρακτικά, όσο αυξάνει το ύψος Η, τόσο αυξάνουν οι μετατοπίσεις Dh και Dv της επιφάνειας του εδάφους, παρά το γεγονός ότι στις εμπειρικές σχέσεις της βιβλιογραφίας δεν υπεισέρχεται άμεσα το ύψος H. Αυτό αποδίδεται στο ότι όσο μεγαλύτερο είναι το ύψος Η, τόσο μικρότερο στατικό συντελεστή ασφαλείας έναντι ευστάθειας έχει ο αναβαθμός, γεγονός που συνεπάγεται εντονότερη συσσώρευση σεισμικών μετατοπίσεων (π.χ., με βάση τη θεωρία ολισθαίνοντος στερεού). Παράλληλα, παρατηρήθηκε πως το γεωτεχνικό προφίλ επιδρά σημαντικά στην απόκριση του αναβαθμού, με κύρια παράμετρο να αποτελεί το πάχος hc της μη-ρευστοποιήσιμης αργιλικής στρώσης σε σύγκριση με το ύψος του αναβαθμού Η, δηλαδή σημασία έχει αν ο λόγος hc/H είναι μεγαλύτερος ή μικρότερος από 1.0. Το βάθος εμφάνισης zc της μη-ρευστοποιήσιμης αργιλικής στρώσης δεν προέκυψε ως σημαντική παράμετρος. Με βάση τις αναλύσεις προκύπτει επίσης ότι όσο πιο παχιά είναι η μη-ρευστοποιήσιμη αργιλική στρώση, τόσο μικρότερες είναι οι μετατοπίσεις Dh και Dv (σε ποιοτική συμφωνία με τη βιβλιογραφία), αλλά και τόσο πιο ασθενώς απομειώνονται οι (μικρές αυτές) μετατοπίσεις με την κανονικοποιημένη απόσταση L/H από τον πόδα. Ολοκληρώνοντας, από την παραμετρική διερεύνηση των αναλύσεων που πραγματοποιήθηκαν προτείνονται εμπειρικές σχέσεις εκτίμησης των σημαντικών παραμέτρων του προβλήματος, δηλαδή της μέγιστης οριζόντιας μετατόπισης Dhmax, της μέγιστης καθίζησης, κατ’ απόλυτη τιμή, \|Dvmc\| ανάντη του πόδα του αναβαθμού και της μέγιστης ανύψωσης Dvmt στα κατάντη αυτού. Οι παράμετροι αυτές χρησιμοποιούνται για την ποσοτικοποίηση σχέσεων εκτίμησης τόσο των οριζόντιων μετατοπίσεων Dh όσο και των κατακόρυφων μετατοπίσεων Dv σε συνάρτηση με την κανονικοποιημένη απόσταση L/H ανάντη και κατάντη από τον πόδα. Οι σχέσεις αυτές λειτουργούν συμπληρωματικά της σχέσης των Youd et al. (2002) που αφορά μόνο στις οριζόντιες μετατοπίσεις Dh που βρίσκεται σε απόσταση L ≥ 5H ανάντη του αναβαθμού, με βάση σεισμολογικά, γεωτεχνικά και τοπογραφικά δεδομένα. Υπογραμμίζεται εδώ ότι για αποστάσεις L ≥ 5H η πρόταση σχεδιασμού υιοθετεί τη σχέση των Youd et al. (2002) ως έχει.	el
heal.abstract	The phenomenon of liquefaction-induced lateral spreading is a seismic hazard that Civil Engineers must address when designing structures on loose, coarse-grained saturated soils, especially when the ground has a mild slope, when it is near a free face, or when both conditions are met. Until now, addressing this phenomenon relies primarily on empirical data from case histories, with numerical simulations being utilized to a lesser degree. The literature suggests empirical relations for predicting horizontal displacements of the ground surface near free faces (e.g., Youd et al., 2002). However, the study of this phenomenon remains incomplete, as there is no quantitative assessment for critical factors of pertinent ground response, such as the ground settlements and heaving during lateral spreading. The numerical methodology followed includes the use of the finite difference software FLAC 2D v.7.0 (Itasca Inc., 2011). Based on the results from these numerical analyses, a parametric investigation is conducted to examine the effects of the free face height H and of the geotechnical profile (e.g., presence of a clay layer) on lateral spreading of a horizontal ground near a free face. The constitutive models used for the soils include the NTUA-SAND (Andrianopoulos et al., 2010) for the liquefiable sand and the Mohr–Coulomb model (with damping in the elastic range) for the clay layer. A strong harmonic motion was used as base excitation, while the employed meshes were very wide to avoid boundary effects on the phenomenon near the free face. It is widely accepted that the empirical relation of Youd et al. (2002) produces reliable estimates of horizontal displacement Dh at distances L ≥ 5H upstream from the toe of the free face. The numerical results confirm the validity of this relation and indicate that its use can be extended to the close vicinity of the toe of the free face (where 0 < L/H < 5), giving increased Dh estimates with a maximum Dhmax value appearing at the toe (where L/H = 0). The Dhmax value is significantly higher (e.g., 2.5 times) than the reference Dh,ref, which is the Dh displacement at L = 5H upstream from the toe according to Youd et al. (2002). Moreover, it was found that the ratio Dhmax/Dh,ref increases with the free face height H. The analyses also show that lateral spreading near a free face induces horizontal displacements downstream of the toe, not just in the upstream area (where all empirical relations in the literature are focused). These horizontal displacements decrease with the distance L/H from the toe, with a more rapid reduction in the downstream as compared to the upstream side. In addition to horizontal displacements Dh, the lateral spreading phenomenon also creates vertical displacements Dv on the ground surface. This is because the area near the free face exhibits characteristics of a wide rotational ground failure around a fixed point high above its toe, with a sliding surface that approximately reaches the deepest point of the liquefiable layer. This results in heaving in front of the toe and settlements behind it. The heaving displacements are approximately 80% of the settlements (in absolute value), while both vertical displacements decrease intensely with distance L/H (practically zeroing out at a distance of L = 10H). It should be noted that the horizontal displacements Dh are generally much larger than the vertical displacements Dv at every location, a fact that explains why the phenomenon is primarily characterized by horizontal displacements and justifies the term lateral (i.e., horizontal) spreading. V Moreover, the parametric analyses reveal a significant correlation between the free face height H and the relative magnitude of the horizontal Dh and vertical displacements Dv. Practically, as the height H increases, so do the surface displacements Dh and Dv, even though the free face height H does not directly factor into empirical relations in the literature. This can be attributed to the fact that the larger the height H, the lower the static stability safety factor for the free face, leading to more intense accumulation of seismic displacements (e.g., according to the sliding block theory). Additionally, it was observed that the geotechnical profile significantly affects the response of the free face. The primary factor of interest is the thickness hc of the non-liquefiable clay layer relative to the free face height H and whether the ratio hc/H is greater or less than 1.0. The depth zc of the non-liquefiable clay layer did not emerge as a significant parameter. According to the analyses, the thicker the non-liquefiable clay layer, the smaller the displacements Dh and Dv (qualitatively in agreement with the literature). A secondary effect is that (small) displacements decrease weakly with normalized distance L/H from the toe when there is a thick non-liquefiable layer. In closing, from the parametric numerical investigation empirical relations are proposed for estimating critical parameters of the problem, namely the maximum horizontal displacement Dhmax, the maximum settlement (in absolute value) \|Dvmc\| upstream of the toe of the free face, and the maximum heaving Dvmt downstream from it. These parameters are used to quantify relations for estimating both horizontal Dh and vertical Dv displacements as functions of normalized distance L/H upstream and downstream from the toe. These relations complement the Youd et al. (2002) relation, which pertains solely to horizontal displacements Dh at distances L ≥ 5H upstream from the free face, based on seismological, geotechnical, and topographical data. It is emphasized here that for distances L ≥ 5H, the design recommendation adopts the Youd et al. (2002) relationship as is.	en
heal.advisorName	Παπαδημητρίου, Αχιλλέας	el
heal.committeeMemberName	Γερόλυμος, Νικόλαος	el
heal.committeeMemberName	Ζερβός, Αντώνιος	el
heal.committeeMemberName	Παπαδημητρίου, Αχιλλέας	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών. Τομέας Γεωτεχνικής	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	90 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false