Διερεύνηση της συμπεριφοράς σηράγγων TBM κατά τη διάρρηξη σεισμικού ρήγματος
Creators: name: Τσιριπίδου, Κωνσταντίνα Αγαθάγγελου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2017
Subjects: Σήραγγες
Σεισμικό ρήγμα
Αριθμητική ανάλυση
Tunnels
Seismic fault
Numerical analysis

description: Η παρούσα εργασία έχει ως αντικείμενο μελέτης την συμπεριφορά σηράγγων που κατασκευάζονται με την μέθοδο της διάνοιξης TBM, κατά τη διάρρηξη σεισμικού ρήγματος. Στην εργασία παρουσιάζονται παραμετρικές αριθμητικές αναλύσεις χρησιμοποιώντας τη μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων με σκοπό την διερεύνηση της συμπεριφοράς της σήραγγας για διάφορες γωνίες κλίσης σεισμικού ρήγματος και διάφορα μεγέθη αναπτυσσόμενης σχετικής ολίσθησης στο βραχώδες υπόβαθρο κατά τη διάρρηξη. Η σχετική ολίσθηση προσομοιώνεται ορίζοντας προκαθορισμένη μετατόπιση στη βάση του τρισδιάστατου κανάβου πεπερασμένων στοιχείων που αντιστοιχεί στο επίπεδο του βραχώδους υποβάθρου. Η συμπεριφορά του εδάφους προσομοιώνεται με το καταστατικό μοντέλο Hardening Soil with small strain stiffness και η απόκριση της σήραγγας μελετάται σε όρους ολικών και σχετικών μετακινήσεων αναδεικνύοντας την καταπόνηση που δέχονται τα στοιχεία που συνδέουν τους διαδοχικούς δακτυλίους σηράγγων TBM. Στην παρούσα διπλωματική εργασία χρησιμοποιούνται τρεις διαφορετικοί τρόποι τρισδιάστατης προσομοίωσης σηράγγων με διάνοιξη TBM στο πρόγραμμα πεπερασμένων στοιχείων PLAXIS 3D. Ο πρώτος τρόπος αποτελεί τον πιο κλασσικό τρόπο προσομοίωσης σηράγγων ο οποίος χρησιμοποιείται σε μελέτες. Η σήραγγα προσομοιώνεται με επιφανειακά πεπερασμένα στοιχεία ως ένας συνεχής ελαστικός σωλήνας από σκυρόδεμα αγνοώντας την ύπαρξη ασθενέστερων διεπιφανειών μεταξύ των διαδοχικών δακτυλίων. Στον δεύτερο τρόπο προσομοίωσης ο σωλήνας αυτός θεωρείται ανισότροπα ελαστικός με μειωμένο μέτρο ελαστικότητας στην διαμήκη διεύθυνση της σήραγγας, έχοντας ως στόχο την ορθότερη προσομοίωση της συμπεριφοράς της. Κατά τον τρίτο τρόπο προσομοίωσης, χρησιμοποιούνται τρισδιάστατα πεπερασμένα στοιχεία για να προσομοιωθεί ο κάθε δακτύλιος της σήραγγας ξεχωριστά, ανάμεσα στους διαδοχικούς δακτυλίους ορίζονται ελαστοπλαστικές διεπιφάνειες που επιτρέπουν την προσομοίωση της συμπεριφοράς των συστημάτων πείρων – διατμητικών συνδέσμων που συνδέουν τους δακτυλίους. Παρουσιάζονται, επίσης, τα αποτελέσματα της διερεύνηση της επιρροής διαφόρων παραδοχών αριθμητικής προσομοίωσης της σήραγγας, όπως είναι οι ιδιότητες των ελαστοπλαστικών διεπιφανειών μεταξύ δακτυλίων, η επιρροή του μήκους της σήραγγας στο οποίο χρησιμοποιούνται οι ελαστοπλαστικές διεπιφάνειες, οι συνθήκες σύνδεσης της σήραγγας στα όρια του καννάβου πεπερασμένων στοιχείων και οι ιδιότητες των διεπιφανειών εδάφους-σήραγγας. Παραμετρικές αναλύσεις διενεργούνται επίσης προς εύρεση του βέλτιστου λόγου εγκάρσιου προς διαμήκους μέτρου ελαστικότητας κατά τον δεύτερο τρόπο προσομοίωσης. Στην συνέχεια της εργασίας, διερευνάται η συμπεριφορά της σήραγγας σε διάφορες εδαφικές συνθήκες. Συγκεκριμένα, μελετάται η απόκριση σε στραγγισμένες και αστράγγιστες συνθήκες όπως και η επιρροή του αυξανόμενου με το βάθος μέτρου ελαστικότητας και διάτμησης. Τα αποτελέσματα των παραμετρικών αναλύσεων που πραγματοποιήθηκαν δείχνουν πως σε όλες τις μελετώμενες περιπτώσεις ο δεύτερος τρόπος προσομοίωσης (ανισότροπα ελαστικός κύλινδρος) μπορεί να προσδιορίσει πολύ ικανοποιητικά την συμπεριφορά της σήραγγας όταν αυτή προσομοιώνεται με τον λεπτομερέστερο τρίτο τρόπο προσομοίωσης (σήραγγα με ελαστοπλαστικές διεπιφάνειες μεταξύ δακτυλίων) ο οποίος όμως είναι πολυπλοκότερος, έχει μεγαλύτερες υπολογιστικές απαιτήσεις και απαιτεί περισσότερο χρόνο επίλυσης
description: The present dissertation aims to examine the behaviour of tunnels constructed with the TBM drilling method during seismic fault rupture. Parametric analyses are performed in order to highlight the behaviour of the tunnel for several dip slip fault angles and various rates of relative sliding on the bedrock level during rupture. Seismic fault sliding is modelled by applying a prescribed displacement at the bottom boundary of the finite element mesh, which corresponds to the bedrock level. The results are studied in terms of total and relative displacements, highlighting the deformations that the connecting bolts - shear connectors system develop in each case. As part of the diploma dissertation, three different ways of three-dimensional numerical modeling of TBM tunnels are presented, using the finite element analysis software PLAXIS 3D. In the first way, the tunnel lining, which generally consists of precast concrete segments, is simulated with separate elastic rings of finite thickness. These rings are connected to each other in the developed finite element model using interface elements with equivalent material properties that approximate the behaviour of the interconnecting bolts and shear connectors between successive rings. The second method is a simplified way of simulating tunnels, which is widely used in tunnel designing. The tunnel is simulated as a continuous, elastic cylinder, using plate finite elements, ignoring the existence of weaker regions between successive rings. An alternative third simulation method is presented, were anisotropic lining material with reduced stiffness in the longitudinal tunnel direction is used, aiming to the more accurate simulation of TBM tunnel behaviour. Parametric analyses are performed to investigate the influence of various assumptions on the numerical model such as the properties of the elastoplastic interfaces used between successive rings, the influence of the tunnel’s length in which the elastoplastic interfaces are used, the tunnel’s boundary conditions and the soil-structure interfaces properties. Parametric analyses are also performed to find the optimal ratio of transverse to longitudinal modulus of elasticity regarding the third simulation method. The effect of the soil material parameters on the behaviour of TBM tunnels is also investigated. The soil behaviour is modelled using the Hardening Soil with Small Strain stiffness constitutive model with uniform and increasing with depth deformation and strength parameters. The response to drained and undrained conditions is also examined. The results of the performed analyses indicate that the simplified simulation method of the tunnel lining using elastic plate elements with anisotropic lining material (third method) can be adjusted to produce very similar results to the more realistic but also complex and time-consuming simulation method using 3D finite elements with elastoplastic interfaces (first method) for all cases examined