Πειραματική και αριθμητική διερεύνηση της βελτίωσης της σεισμικής απόκρισης κατασκευών με την χρήση μιγμάτων ανακυκλωμένων υλικών στο έδαφος θεμελίωσης
Authors: Πιστόλας Γεώργιος-Αχιλλέας 
Published: August 2021

Η παρούσα διατριβή μελετά πειραματικά και αριθμητικά της βελτίωσης της σεισμικής απόκρισης των κατασκευών με εφαρμογή μιγμάτων κοκκωδών εδαφών με κοκκοποιημένα ελαστικά στο έδαφος θεμελίωσης. Για το σκοπό αυτό, η μελέτη διαιρείται σε δύο μεγάλα υποκεφάλαια: αυτό της πειραματικής διερεύνησης της επιρροής του ελαστικού κλάσματος στα μηχανικά χαρακτηριστικά των μιγμάτων με κοκκώδη εδάφη και αυτό της αριθμητικής εφαρμογής μιγμάτων σαν μέθοδο σεισμικής μόνωσης των κατασκευών, με τη μορφή εδαφικής μονωτικής στρώσης κάτω από τη θεμελίωση. Η πειραματική μελέτη των μιγμάτων κοκκωδών εδαφών με κοκκοποιημένα ελαστικά αφορά τη διερεύνηση των δυναμικών ιδιοτήτων και της αντοχής των υλικών σε μεγάλο εύρος τιμών του ποσοστού του ελαστικού κλάσματος. Εξετάζονται μίγματα φυσικής ποταμίσιας άμμου και χαλικιών με κοκκοποιημένα ελαστικά με ποσοστό ελαστικού από 10% έως 60% κατά βάρος ξηρού μίγματος. Επιπλέον, εξετάζονται και τα καθαρά εδαφικά και ελαστικά υλικά. Ο λόγος της μέσης διαμέτρου κόκκων των δύο υλικών του μίγματος, D50r/D50s, είναι στην περίπτωση των μιγμάτων άμμου/ελαστικών ίσος με 4:1 και στην περίπτωση των μιγμάτων χαλικιών/ελαστικών ίσος με 1:2. Τα δοκίμια των μιγμάτων και των καθαρών εδαφικών υλικών που εξετάζονται είναι κορεσμένα και πυκνά, με δείκτη πόρων περίπου ίσο με 0.7.Οι δυναμικές ιδιότητες των μιγμάτων άμμου και χαλικιών με κοκκοποιημένα ελαστικά, μελετώνται σε μεγάλο εύρος διατμητικών παραμορφώσεων. Για το σκοπό αυτό, τα υλικά εξετάζονται με πειραματικές διατάξεις στήλης συντονισμού και ανακυκλικής τριαξονικής φόρτισης. Το εύρος παραμορφώσεων που εφαρμόζεται με τη συσκευή στήλης συντονισμού κυμαίνεται στο εύρος τιμών γ=10-5% έως 7∙10-2%. Η δοκιμή ανακυκλικής τριαξονικής φόρτισης, επιτρέπει τη μελέτη των δυναμικών ιδιοτήτων των υλικών σε εύρος παραμορφώσεων γ=10-4% έως 2%, ανάλογα και με τη φύση του υλικού. Η μελέτη των δυναμικών ιδιοτήτων των μιγμάτων πραγματοποιείται σε όρους αρχικού μέτρου διάτμησης, Go, αρχικού ποσοστού απόσβεσης, DTo, και της εξέλιξής τους με την ανάπτυξη των διατμητικών παραμορφώσεων, υπό μορφή καμπυλών G-γ-D.Επιπλέον, μελετάται η επιρροή της επιβαλλόμενης περιβάλλουσας τάσης στην τιμή των δυναμικών χαρακτηριστικών των μιγμάτων καθώς επίσης και η επιρροή της συχνότητας φόρτισης και του αριθμού των κύκλων φόρτισης στην τιμή του αρχικού μέτρου διάτμησης, Go, και του αρχικού ποσοστού απόσβεσης, DTo. Η επιβαλλόμενη περιβάλλουσα τάση κατά την εκτέλεση των πειραματικών δοκιμών κυμαίνεται από 25kPa έως 200kPa. Για τη μελέτης της επιρροής της συχνότητας φόρτισης, η περιβάλλουσα τάση που επιβάλλεται είναι 400kPa ώστε το υλικό να βρίσκεται κατά το δυνατόν στην πιο άκαμπτη κατάστασή του και η συχνότητα της φόρτισης να εμφανίζει τη σημαντικότερη επιρροή. Οι συχνότητες φόρτισης για τις οποίες εξετάζονται τα υλικά είναι 0.5-1.0-2.0 και 3.0Hz. Η επιρροή του αριθμού των κύκλων φόρτισης, εξετάζεται για μέγιστο αριθμό 50 κύκλων φόρτισης.Τα πειραματικά αποτελέσματα των δυναμικών δοκιμών των μιγμάτων της παρούσας μελέτης, επιτρέπουν την εκτίμηση αναλυτικών σχέσεων υπολογισμού του αρχικού μέτρου διάτμησης, Go, του αρχικού ποσοστού απόσβεσης, DTo, και της εξέλιξής τους με την ανάπτυξη των διατμητικών παραμορφώσεων, υπό μορφή καμπυλών G-γ-D για μεγάλο εύρος τιμών ποσοστού ελαστικού στο μίγμα και για μεγάλο εύρος διατμητικών παραμορφώσεων. Η προσθήκη του ελαστικού στο μίγμα οδηγεί σε μείωση του μέτρου διάτμησης και σε αύξηση του ποσοστού απόσβεσης. Ωστόσο η αύξηση του ποσοστού απόσβεσης παρατηρείται σε μικρές (γ≈2∙10-5%) και σε μεγάλες (γ≥1%) διατμητικές παραμορφώσεις. Σε ένα εύρος μέσων διατμητικών παραμορφώσεων της τάξης του γ=10-2% έως 1%, παρατηρείται εν γένει μία μείωση του ποσοστού απόσβεσης με την αύξηση του ποσοστού ελαστικού. Η συμπεριφορά αυτή του ποσοστού απόσβεσης οφείλεται στη διαφοροποίηση των μηχανισμών που αναπτύσσονται ανάλογα με το επίπεδο παραμόρφωσης. Τα πειραματικά αποτελέσματα καθώς και η μορφή των καμπυλών των προτεινόμενων συσχετίσεων, συγκρίνονται με αντίστοιχες προτεινόμενες στη βιβλιογραφία για κοκκώδη εδάφη και μίγματα κοκκωδών εδαφών με κοκκοποιημένα ελαστικά.Η αντοχή των μιγμάτων κοκκωδών εδαφών με κοκκοποιημένα ελαστικά εξετάζεται με δοκιμές μονοτονικής τριαξονικής φόρτισης υπό στραγγιζόμενες συνθήκες (CD). Με βάση τα πειραματικά δεδομένα, εκτιμώνται το μέτρο ελαστικότητας, Ε, η γωνία διαστολής, ψ, και οι παράμετροι αντοχής των κριτηρίων αστοχίας Mohr-Coulomb και Drucker-Prager. Η επιρροή του ελαστικού κλάσματος των μιγμάτων στη μορφή αστοχίας τους, καταδεικνύει πως η ευθύγραμμη μορφή του κριτηρίου αστοχίας Mohr-Coulomb δεν περιγράφει ικανοποιητικά την αντοχή τους. Για το λόγο αυτό προτείνεται μία παραβολικού τύπου τροποποίηση της περιβάλλουσας αστοχίας Mohr-Coulomb, ώστε να λαμβάνεται υπόψη η επιρροή του ελαστικού κλάσματος στην αντοχή του υλικού.Τα πειραματικά δεδομένα των δοκιμών μονοτονικής τριαξονικής φόρτισης χρησιμοποιούνται για τη βαθμονόμηση της κράτυνσης, μετά τη διαρροή, των μιγμάτων, βάσει του κριτηρίου αστοχίας Drucker-Prager. Αυτού του τύπου η μη γραμμική απόκριση υλικού εφαρμόζεται κατά την εκτέλεση των αναλύσεων πεπερασμένων στοιχείων της παρούσας μελέτης. Η επιλογή του κριτηρίου αστοχίας στηρίζεται στη μορφή αστοχίας που εμφανίζουν τα μίγματα κοκκωδών εδαφών με κοκκοποιημένα ελαστικά και στην πειραματική διαδικασία που ακολουθείται για την εκτίμηση των παραμέτρων αντοχής.Η επιρροή της εφαρμογής των μιγμάτων κοκκωδών εδαφών με κοκκοποιημένα ελαστικά σαν εδαφική στρώση σεισμικής μόνωσης κάτω από τη θεμελίωση των κατασκευών, μελετάται με την εκτέλεση αριθμητικών αναλύσεων στον κώδικα πεπερασμένων στοιχείων Abaqus. Η κατασκευή προσομοιώνεται σε τρεις διαστάσεις, με τη μορφή ‘μονοβάθμιου’ ταλαντωτή, χάριν γενίκευσης των αποτελεσμάτων. Η προσομοίωση λαμβάνει υπόψη τη μη γραμμική συμπεριφορά του βελτιωμένου εδάφους θεμελίωσης καθώς επίσης και τη δυνατότητα ολίσθησης και αποκόλλησης της θεμελίωσης από το υποκείμενο έδαφος. Η πλήρης προσομοίωση του συστήματος εδάφους-κατασκευής που εφαρμόζεται, επιτρέπει την ρεαλιστικότερη μελέτη της προτεινόμενης μεθόδου επέμβασης καθώς είναι δυνατόν να μελετηθούν φαινόμενα ολίσθησης και κυρίως ανατροπής της κατασκευής. Τα βιβλιογραφικά δεδομένα είναι εξαιρετικά περιορισμένα όσο αφορά την προτεινόμενη μέθοδο σεισμικής μόνωσης των κατασκευών και παρουσιάζεται έλλειψη στην ποσοτικοποίηση της επιρροής της στα σεισμικά μεγέθη της κατασκευής και στα όρια εφαρμογής της. Η παραμετρική διερεύνηση του προβλήματος όπως εφαρμόζεται στην παρούσα μελέτη, επιτρέπει την σύνθεση εμπειρικών συσχετίσεων εκτίμησης της επιρροής της προτεινόμενης μεθόδου σεισμικής μόνωσης στην τέμνουσα βάσης και στη σχετική μετακίνηση βάσης-κορυφής (drift) της κατασκευής. Επιπλέον, η συνολική μελέτη του προβλήματος της αλληλεπίδρασης βελτιωμένου εδάφους-κατασκευής που εφαρμόζεται, επιτρέπει τον καθορισμό ρεαλιστικών ορίων ποσοστού ελαστικού και γεωμετρικών χαρακτηριστικών της επέμβασης και της κατασκευής, ώστε η προτεινόμενη μέθοδος σεισμικής μόνωσης να είναι αποτελεσματική χωρίς να θέτει σε κίνδυνο τη συνολική ευστάθεια της κατασκευής κατά τη σεισμική διέγερση.Η μελέτη του προβλήματος αλληλεπίδρασης βελτιωμένου εδάφους-κατασκευής, καταδεικνύει πως, πλέον των παραμέτρων που επηρεάζουν το πρόβλημα αλληλεπίδρασης εδάφους κατασκευής, προστίθενται παράμετροι επιρροής σχετικές με τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά και το υλικό της επέμβασης στο έδαφος θεμελίωσης. Για ποσοστό ελαστικού στο μίγμα ≥40% κ.β., παρατηρείται εν γένει απώλεια ευστάθειας της κατασκευής με ανατροπή, στην περίπτωση που η λυγηρότητά της είναι λ≥4.0. Ωστόσο, στην περίπτωση λιγότερο λυγηρών κατασκευών, με τιμή λ≤2.0, η επιρροή της επέμβασης με μίγματα είναι εξαιρετικά ευνοϊκή, ακόμη και για ποσοστό ελαστικού 60% κ.β. μίγματος, οδηγώντας σε μείωση της σεισμική τέμνουσας βάσης έως και 60%. Η επιρροή της επέμβασης βέβαια εξαρτάται και από τα δυναμικά χαρακτηριστικά της κατασκευής όπως και από τα χαρακτηριστικά της διέγερσης. Τα φαινόμενα ολίσθησης της κατασκευής με βελτιωμένο έδαφος θεμελίωσης εν γένει δεν είναι σημαντικά, ή τουλάχιστον δεν είναι σημαντικότερα συγκριτικά με την περίπτωση έδρασης επί αμιγούς εδαφικού υλικού. Τα όρια εφαρμογής της προτεινόμενης μεθόδου καθορίζονται με την εκτέλεση αναλύσεων υπερωθητικού τύπου φόρτισης στην κατασκευή και προτείνεται η οριακή εκκεντρότητα του φορτίου κατά τη σεισμική διέγερση, ώστε να μην εμφανιστεί ανατροπή της κατασκευής. Για την εκτίμηση της οριακής εκκεντρότητας, λαμβάνεται υπόψη η ενδοσιμότητα και η μη γραμμική απόκριση του βελτιωμένου εδάφους θεμελίωσης. Τέλος τα συμπεράσματα της παρούσας μελέτης τεκμηριώνονται και από τα αποτελέσματα δυναμικής υπερωθητικής ανάλυσης (Incremental Dynamic Analysis – I.D.A.) ως πιο εποπτικής μεθόδου ελέγχου της σεισμικής απόκρισης των κατασκευών.