Μελέτη της σεισμικής συμπεριφοράς των σύγχρονων τεχνικών ενίσχυσης εδαφικών πρανών

Abstract

Seismic design of reinforced and unreinforced embankments is of extreme importance, due to the environmental and economical consequences related to a potential failure. The main factors that can cause their instability are those which tend: (i) to increase the shear stresses that developed in the soil and (ii) to decrease the shear resistance. For this purpose, the present doctoral dissertation investigated the seismic distress of reinforced soil structures caused not only due to permanent displacements accumulated during the seismic wave propagation, but also due the development of permanent ground deformation resulting from an abrupt fault rupture.The design of geosynthetic reinforced slopes is based on modified versions of standard limit equilibrium slope stability methods. Kinematically, the potential failure surface in a reinforced homogenous slope is assumed typically to be defined by the same idealized geometry (but not location) as in the unreinforced case (for example circular, log spiral, bilinear wedge). Statically, the inclination and distribution of the reinforcement tensile force along the failure surface need to be assumed. The capacity of reinforcement is taken as either the allowable pull-out resistance behind the potential failure surface, or as its allowable design strength, whichever is less. The target factor of safety for a reinforced slope is the same as for an unreinforced slope. The most common approach for the analysis of seismic stability of geosynthetically reinforced earth structures is based on pseudostatic approach, in which the seismic forces are derived by multiplying the seismic coefficient and the weight of the sliding mass.Nevertheless, soil slopes are flexible systems characterized by a relatively large fundamental period. Therefore, design procedures which are used to evaluate earthquake-induced sliding displacements typically refer to three different approaches: (a) simplified dynamic analysis by means of the conventional Newmark rigid block model that slides on an inclined plane, (b) dynamic analysis accounting for the flexibility of the oscillating mass, where the dynamic response and the sliding block displacements are computed separately, this is commonly referred as decoupled approach, and (c) dynamic analysis where the dynamic response and slip displacement accumulation are considered simultaneously, commonly referred to as coupled approach.For this purpose, flexible one (SDOF) and two lumped (MDOF) mass soil models were developed in the current research, in which sliding has been considered on horizontal or inclined base planes, while the effect of the most important parameters involved: such as flexibility, yield acceleration, dynamic loading, reinforcement, mechanical properties of the soil and the geosynthetics, the frequency content of the excitation and the interface shear strength have been considered. The parametric investigation of decoupled and coupled approaches contributes towards a better understanding of the development of the permanent slip displacements. The characteristics of the failure type are strongly related to the eigenperiod of the geostructure, the period of the excitation, the shear strength of the interface and the maximum applied acceleration.Additionally, numerical finite element analyses were performed considering the impact of several important parameters related to soil and geosynthetics materials, the geometry of the model and the characteristics of seismic excitations. For the verification of the numerical results, available data and results of centrifuge tests were utilized.Finally, parametric numerical analyses were performed in order to assess the propagation of a fault rupture within a geosynthetically reinforced earth structure. A detailed parametric analysis of typical models os slopes and embankments was conducted and it was derived that the permanent deformation of the reinforced geostructures depends both on the characteristics of the fault rupture, the geometry of the embankment as well as the properties and the configuration of the geosynthetics.

Ο αντισεισμικός σχεδιασμός άοπλων και οπλισμένων πρανών και επιχωμάτων είναι ένα θέμα μείζονος σημασίας σε παγκόσμιο επίπεδο κυρίως λόγω των περιβαλλοντικών και οικονομικών επιπτώσεων που επιφέρει το ενδεχόμενο αστοχίας τους. Οι παράγοντες που μπορούν να προκαλέσουν αστάθεια ή αστοχία θεωρούνται: (α) αυτοί που τείνουν να αυξήσουν τις διατμητικές τάσεις που αναπτύσσονται στο έδαφος και (β) αυτοί που τείνουν να μειώσουν τη διατμητική αντίστασή του. Για τον λόγο αυτόν, στην παρούσα διδακτορική διατριβή εξετάζεται τόσο η αδρανειακή όσο και η κινηματική σεισμική καταπόνηση γεωσυνθετικά οπλισμένων γεωκατασκευών, οι οποίες αντίστοιχα προκαλούνται από τη διάδοση των σεισμικών κυμάτων και εξαιτίας μόνιμων επιβαλλόμενων παραμορφώσεων λόγω τεκτονικής διάρρηξης στο υπόβαθρο της γεωκατασκευής. Ο σχεδιασμός των γεωσυνθετικά οπλισμένων πρανών βασίζεται στην τροποποίηση των κλασσικών μεθόδων οριακής ισορροπίας για την εκτίμηση της ευστάθειας απλών εδαφικών πρανών. Η πιθανή επιφάνεια αστοχίας σε ένα οπλισμένο εδαφικό πρανές θεωρείται ότι προσδιορίζεται από την ίδια εξιδανικευμένη γεωμετρία (αλλά όχι θέση) όπως και στην περίπτωση μη ενισχυμένου πρανούς. Στις εξισώσεις ισορροπίας λαμβάνεται υπόψη και η αντοχή των οπλισμών ως η μικρότερη εκ των δύο: (α) αντοχής σε εξόλκευση και (β) εφελκυστικής αντοχής. Ο βασικός στόχος είναι ο συντελεστής ασφαλείας για ένα οπλισμένο πρανές να είναι επαρκής κατ’ αντιστοιχία με ένα μη ενισχυμένο πρανές. Η πιο συνήθης προσέγγιση για την ανάλυση της σεισμικής ευστάθειας των ενισχυμένων γεωκατασκευών με γεωσυνθετικά βασίζεται στη ψευδοστατική μέθοδο, όπου οι αναπτυσσόμενες σεισμικές δυνάμεις θεωρείται ότι ισούνται με το γινόμενο του σεισμικού συντελεστή και του βάρους της ολισθαίνουσας μάζας.Από τη άλλη πλευρά, είναι γνωστό ότι οι γεωκατασκευές είναι εύκαμπτα συστήματα, τα οποία χαρακτηρίζονται από σχετικά μεγάλες ιδιοπεριόδους. Ως εκ τούτου, οι μεθοδολογίες μονίμων παραμορφώσεων που εφαρμόζονται για την εκτίμηση των μόνιμων σεισμικών μετακινήσεων εξαιτίας της διάδοσης των σεισμικών κυμάτων βασίζονται στις ακόλουθες προσεγγίσεις: (α) την απλοποιημένη δυναμική ανάλυση, η οποία βασίζεται σε ένα απλό προσομοίωμα άκαμπτου ολισθαίνοντος τεμάχους πουολισθαίνει επί κεκλιμένου επιπέδου (τροποποιημένο προσομοίωμα Newmark), (β) με ασύζευκτη δυναμική ανάλυση, όπου αρχικά υπολογίζεται η απόκριση της συνολικής γεωκατασκευής και σε δεύτερο στάδιο εκτιμάται η δυναμική απόκριση της ολισθαίνουσας εδαφικής μάζας σε όρους μιας ισοδύναμης χρονοϊστορίας επιτάχυνσης, και (γ) με συζευγμένη δυναμική ανάλυση, όπου λαμβάνεται ταυτόχρονα υπόψη τόσο η δυναμική απόκριση της ολισθαίνουσας εδαφικής μάζας, όσο και η ανάπτυξη της σεισμικά συσσωρευόμενης ολίσθησης.Με βάση τα προαναφερθέντα, στην παρούσα διδακτορική διατριβή προτείνονται κατάλληλες αναλυτικές μεθοδολογίες (ισοδύναμα συστήματα ταλάντωσης με δυνατότητα ανάπτυξης ολίσθησης στη βάση τους σε οριζόντιο και κεκλιμένο επίπεδο) όπου λαμβάνονται υπόψη η ευεργετική παρουσία των οπλισμών. Στην εκτενή διερεύνηση που διενεργήθηκε ελήφθησαν υπόψη οι πιο σημαντικοί παράμετροι που υπεισέρχονται, όπως: η ευκαμψία, η κρίσιμη επιτάχυνση, τα χαρακτηριστικά της δυναμικής διέγερσης φόρτισης, οι μηχανικές ιδιότητες του εδαφικού υλικού και των γεωσυνθετικών, η διατμητική αντοχή της διεπιφάνειας των υλικών, κ.α. Η σύγκριση της ασύζευκτης και συζευγμένης απόκρισης συντελεί στον ακριβέστερο προσδιορισμό των αναπτυσσόμενων σεισμικών μετακινήσεων. Αποδεικνύεται ότι τα χαρακτηριστικά και ο τρόπος ανάπτυξης της παραμένουσας παραμόρφωσης εξαρτώνται από την ιδιοπερίοδο της κατασκευής, την περίοδο της διέγερσης, τη διατμητική αντοχή της διεπιφάνειας των υλικών και τη μέγιστη επιβαλλόμενη επιτάχυνση.Επιπροσθέτως, για την πλήρη εξέταση και την καλύτερη κατανόηση του φαινομένου, καθώς και για να γίνει μία σύγκριση των διαφόρων μεθόδων (ψευδοστατικές, μονίμων παραμορφώσεων, πειραματικές και αριθμητικές) πραγματοποιήθηκαν αναλύσεις πεπερασμένων στοιχείων. Η υπολογιστική προσομοίωση των υπό εξέταση γεωκατασκευών διενεργήθηκε λαμβάνοντας υπόψη την επίδραση διαφόρων σημαντικών παραμέτρων, όπως το υλικό του εδάφους και των γεωσυνθετικών, η γεωμετρία του προσομοιώματος, τα χαρακτηριστικά των σεισμικών διεγέρσεων, κ.α. Επισημαίνεται ότι για την υλοποίηση των αριθμητικών προσομοιώσεων και την επαλήθευση των εξαγόμενων αποτελεσμάτων, αξιοποιήθηκαν τα διαθέσιμα δεδομένα και αποτελέσματα πειραμάτων φυγοκέντρισης της διεθνούς βιβλιογραφίας.Τέλος, στο πλαίσιο της διερεύνησης της κινηματικής καταπόνησης των εξεταζόμενων γεωκατασκευών διερευνήθηκε για πρώτη φορά ο μηχανισμός διάδοσης της τεκτονικής διάρρηξης στο σώμα ενός οπλισμένου επιχώματος ή πρανούς. Αυτό επετεύχθη μέσω της διεξαγωγής κατάλληλων αριθμητικών αναλύσεων με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. Για τον σκοπό αυτό διεξήχθη μία εκτενής παραμετρική διερεύνηση σε προσομοιώματα χαρακτηριστικών τύπων οπλισμένων πρανών και επιχωμάτων στα οποία επιβαλλόταν διαφόρων ειδών μετακινήσεις υποκείμενων ρηγμάτων. Από τα αποτελέσματα διαπιστώνεται πως οι μόνιμες παραμορφώσεις των γεωκατασκευών εξαρτώνται από τα χαρακτηριστικά και τη θέση του ρήγματος, από τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά και το υλικό του επιχώματος, καθώς και από τις ιδιότητες και τη διάταξη των οπλισμών.