Constitutive modelling of the mechanical behaviour of unsaturated soils
Authors: Σιταρένιος Παναγιώτης 
Published: September 2021

Ο κύριος σκοπός της διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη ενός καταστατικού προσομοιώματος για μη κορεσμένα εδάφη, η τεκμηρίωσή του και η εισαγωγή του στο πρόγραμμα πεπερασμένων στοιχείων Simulia Abaqus. Ο μερικός κορεσμός σε πρακτικό επίπεδο αφορά κυρίως φυσικά ή συμπυκνωμένα εδάφη με κοινό τους χαρακτηριστικό την ανισοτροπία της μηχανικής τους συμπεριφοράς. Για τον λόγο αυτό επιλέχθηκε στο προτεινόμενο καταστατικό προσομοίωμα να συμπεριληφθεί η δυνατότητα πρόβλεψης της ανισοτροπίας, με αποτέλεσμα το τελικό παραδοτέο να αποτελεί ένα νέο καταστατικό προσομοίωμα για ανισότροπα στερεοποιημένα, μη κορεσμένα εδαφικά υλικά, με δυνατότητα εξωτερικής ενσωμάτωσης στον κώδικα πεπερασμένων στοιχείων Simulia Abaqus.Τα προτεινόμενο καταστατικό προσομοίωμα χρησιμοποιεί ένα στρεβλό ελλειψοειδές ως την επιφάνεια πλαστικής διαρροής και ενσωματώνει έναν μη συσχετισμένο νόμο ροής, καθώς και έναν μικτό νόμο κράτυνσης για να περιγράψει με ακρίβεια τη συσχέτιση των καμπυλών εγγενούς συμπίεσης με το επίπεδο της επιβαλλόμενης τασικής ανισοτροπίας, αλλά και την τασική χαλάρωση που επιδεικνύουν ανισότροπα στερεοποιημένα εδαφικά υλικά σε δοκιμές αστράγγιστης τριαξονικής συμπίεσης. Η επέκταση του καταστατικού προσομοιώματος για εδαφικές καταστάσεις μερικού κορεσμού γίνεται με χρήση της τάσης εδαφικού σκελετού του Bishop ως η πρώτη καταστατική παράμετρος, καθώς και της μύζησης και του βαθμού κορεσμού ως επιπλέον καταστατικές παραμέτρους. Τέλος, ενσωματώνει μία καταστατική επιφάνεια τύπου Φόρτισης – Κατάρρευσης για την περιγραφή πλαστικών καταστάσεων που συνδέονται με φόρτιση επί καταστάσεων παρθενικής συμπίεσης υπό διαφορετικά επίπεδα μύζησης.Το προτεινόμενο καταστατικό προσομοίωμα ενσωματώνεται σε αλγόριθμο επίλυσης των καταστατικών εξισώσεων σε υλικό σημείο, ο οποίος χρησιμοποιείται τόσο για την εκτέλεση απλών προσομοιώσεων τυπικών τασικών οδεύσεων φόρτισης και μεταβολής της μύζησης σε υλικό σημείο, όσο και για την ενσωμάτωση του προσομοιώματος στον κώδικα πεπερασμένων στοιχείων Simulia Abaqus. Για την πραγματοποίηση προσομοιώσεων της συμπεριφοράς μη κορεσμένων εδαφών, ενσωματώνονται στον αλγόριθμο δυνατότητες συζευγμένης ανάλυσης της μηχανικής και υδραυλικής συμπεριφοράς μέσω ενός μαθηματικού προσομοιώματος περιγραφής της καμπύλης συγκράτησης ύδατος το οποίο περιλαμβάνει εξάρτηση της συμπεριφοράς από τις ογκομετρικές παραμορφώσεις.Για την επαλήθευση και αξιολόγηση του καταστατικού προσομοιώματος εκτελέστηκε ικανό πλήθος παραμετρικών αναλύσεων με σκοπό την επαλήθευση της συμμόρφωσης του προσομοιώματος με τις προβλέψεις του πλαισίου μηχανικής συμπεριφοράς, ενώ επιπρόσθετα βαθμονομήθηκε επί τη βάση εργαστηριακών αποτελεσμάτων που αφορούν σε τρία διαφορετικά εδάφη. Τέλος το προσομοίωμα εφαρμόστηκε σε σύνθετες αναλύσεις πεπερασμένων στοιχείων σε προβλήματα διάνοιξης σήραγγας με μηχανοποιημένη εκσκαφή καθώς και στην μελέτη της μηχανικής συμπεριφοράς μεμονωμένου επιφανειακού θεμελίου υπό συνθήκες μερικού κορεσμού του εδάφους θεμελίωσης. Προέκυψε ότι το προτεινόμενο καταστατικό προσομοίωμα δύναται να περιγράψει με επιτυχία τα κυριότερα μηχανικά χαρακτηριστικά ανισότροπα στερεοποιημένων εδαφών τόσο σε καταστάσεις πλήρους όσο και μερικού κορεσμού, ενώ η διατύπωσή του είναι σχετικά απλή και οι παράμετροί του εύκολα διακριβώσιμες στη βάση συνήθων εργαστηριακών δοκιμών. Πιο συγκεκριμένα, οι κυριότερες δυνατότητες του προτεινόμενου προσομοιώματος έγκεινται στην δυνατότητα περιγραφής με ακρίβεια της εξάρτηση των καμπυλών εγγενούς συμπίεσης από τον βαθμό της επιβαλλόμενης τασικής ανισοτροπίας, στην επιτυχή περιγραφή της συσσώρευσης πλαστικών παραμορφώσεις, στην επιτυχή περιγραφή της τασικής χαλάρωση που επιδεικνύουν ανισότροπα στερεοποιημένα εδαφικά υλικά καθώς και μίας ενιαίας κρίσιμης κατάστασης. Επιπρόσθετα περιγράφει επιτυχώς την μη γραμμική εξέλιξη της αντοχής μη κορεσμένων εδαφών με την μύζηση καθώς και ένα μέγιστο στις παραμορφώσεις λόγω διαβροχής.