Προσομοίωση της μηχανικής συμπεριφοράς δομημένων και ανισότροπων εδαφικών υλικών
Authors: Μπελόκας Γεώργιος 
Published: August 2021

Στην παρούσα διατριβή μελετάται η μαθηματική προσομοίωση της μηχανικής συμπεριφοράς των γεωυλικών με δομή, με κύριο στόχο την ανάπτυξη ενός νέου ελαστοπλαστικού καταστατικού προσομοιώματος. Το προσομοίωμα αυτό εφαρμόζεται σε πειραματικά δεδομένα και εισάγεται στον κώδικα πεπερασμένων στοιχείων ABAQUS. Η μηχανική συμπεριφορά ενός γεωυλικού εξαρτάται από την τρέχουσα κατάσταση (τασική κατάσταση και ειδικός όγκος) και τη δομή (ιστορία φόρτισης και δέση). Η δέση (bonding) οδηγεί σε αυξημένη στιβαρότητα (stiffness), αντοχή και διαστολικότητα (dilatancy) και υπό ειδικές συνθήκες σε καταρρεύσιμη (collapsible) συμπεριφορά. Ως δέση νοείται οποιαδήποτε διεργασία που οδηγεί σε αυξημένη διακοκκώδη αντίσταση σε σχέση με αυτή που δικαιολογεί η ιστορία φόρτισης του υλικού. Η ανισοτροπία που μπορεί να έχει το υλικό είναι αποτέλεσμα της συνδυασμένης δράσης της ιστορίας φόρτισης και της δέσης. Η ιστορία φόρτισης και η δέση μπορεί να συνυπάρχουν ή να δρουν ανεξάρτητα. Εισάγεται το νέο Πλαίσιο Εγγενούς Συμπιεστότητας (Intrinsic Compressibility Framework) που απεικονίζει όλες τις μη δομημένες καταστάσεις, δηλαδή αυτές στις οποίες η μηχανική συμπεριφορά εξαρτάται από την τρέχουσα κατάσταση. Επίσης, παράχθηκαν μαθηματικές σχέσεις που περιγράφουν το πλαίσιο αυτό, οι οποίες εφαρμόστηκαν επιτυχώς στις εργαστηριακές δοκιμές σε αναζυμωμένη άργιλο Vallericca που εκτελέστηκαν για τις ανάγκες της παρούσας διατριβής. Το Ενοποιημένο Πλαίσιο Συμπεριφοράς των Γεωυλικών που προτείνεται στη συνέχεια, ενσωματώνει το Πλαίσιο Εγγενούς Συμπιεστότητας και περιγράφει την επίδραση στη μηχανική συμπεριφορά των γεωυλικών της δομής, δίνοντας ιδιαίτερη έμφαση στην ανισοτροπία. Παρουσιάζονται νέες ημιεμπειρικές συσχετίσεις των εγγενών ιδιοτήτων (intrinsic properties, σταθερές των μη δομημένων καταστάσεων) ως προς τα φυσικά χαρακτηριστικά, οι οποίες προέκυψαν από ένα μεγάλο αριθμό δεδομένων που συλλέχθηκαν από τη διεθνή βιβλιογραφία, δίνοντας υψηλούς συντελεστές συσχέτισης. Οι νέες συσχετίσεις μπορούν να εφαρμοστούν για την εκτίμηση των σταθερών συμπιεστότητας και αντοχής των περισσότερων προσομοιωμάτων που στηρίζονται στην Εδαφομηχανική Κρίσιμης Κατάστασης (π.χ. Cam - Clay). Η εφαρμογή τους στα πειραματικά δεδομένα της αναζυμωμένης αργίλου Vallericca ήταν επιτυχής. Το νέο καταστατικό Προσομοίωμα Εδαφών με Δομή (MSS-2) που προτείνεται, βασίζεται στο Ενοποιημένο Πλαίσιο Συμπεριφοράς, είναι ελαστοπλαστικό - ανεξάρτητο του ρυθμού επιβολής του φορτίου και ανήκει στην κατηγορία των προσομοιωμάτων οριακής περιβάλλουσας με δύο όμοιες περιβάλλουσες διαρροής (τύπου «φυσαλίδας»). To MSS-2 προσομοίωμα αξιολογείται μέσα από: α) παραμετρικές αναλύσεις των σταθερών του προσομοιώματος (προσομοιώσεις εργαστηριακών δοκιμών σε υλικό σημείο), β) την προσομοίωση σε υλικό σημείο πραγματικών πειραματικών δεδομένων (εργαστηριακές δοκιμές μονοτονικής φόρτισης στην αναζυμωμένη άργιλο Vallericca, νέες δοκιμές, και στη φυσική άργιλο Vallericca, δοκιμές διατριβής Amorosi, 1996) και γ) την εφαρμογή του προτεινόμενου καταστατικού προσομοιώματος στον αριθμητικό κώδικα πεπερασμένων στοιχείων ABAQUS (τυπικές εργαστηριακές δοκιμές σε τρισδιάστατο φορέα - στατικές αναλύσεις και αναλύσεις συζευγμένης στερεοποίησης). Προκύπτει πως το καταστατικό Προσομοίωμα Εδαφών με Δομή μπορεί να περιγράφει ταυτόχρονα, μεμονωμένα ή σε συνδυασμό τα εξής στοιχεία: - ανελαστική συμπεριφορά υπό μονοτονική και ανακυκλική φόρτιση για οποιαδήποτε διεύθυνση φόρτισης, - ανακυκλική κινητικότητα σε ανακυκλική αστράγγιστη διάτμηση, - μεταβολή της ανισοτροπίας και απομείωση της δέσης αυξανομένης της ανελαστικής παραμόρφωσης, - αυξημένες λόγω δέσης στιβαρότητα, αντοχή και διαστολικότητα, - απομείωση της στιβαρότητας, αντοχής και διαστολικότητας λόγω απώλειας δέσης και - εξάρτηση της διαστολικότητας από την ανισοτροπία. Οι προτάσεις και κατευθύνσεις για μελλοντική έρευνα περιλαμβάνουν: α) πιθανούς τρόπους βελτίωσης του προσομοιώματος, β) την εφαρμογή του προσομοιώματος σε πειραματικά δεδομένα και άλλων γεωυλικών με διαφορετικούς μηχανισμούς και ρυθμούς απώλειας δέσης, γ) την εφαρμογή του προσομοιώματος σε πειραματικά δεδομένα ανακυκλικής φόρτισης και δ) την επίλυση τυπικών προβλημάτων γεωτεχνικής μηχανικής με εφαρμογή του προσομοιώματος σε ανισότροπα εδάφη με δέση (π.χ. σε προβληματικά - ευαίσθητα υλικά).