Loading...
Numerical Modeling of Unsaturated Soils Behavior (Wheeler Model) in Flac Software
Foroughi, Sina | 2015
2011
Viewed
- Type of Document: M.Sc. Thesis
- Language: Farsi
- Document No: 47015 (09)
- University: Sharif University of Technology
- Department: Civil Engineering
- Advisor(s): Ahmadi, Mohammad Mehdi
- Abstract:
- The mechanical behavior of unsaturated soils is much more complex than saturated soils and the effective stress principle cannot be initially applied to them. The soils found in most parts of Tehran, Iran, are unsaturated and this underlines the importance of having access to softwares capable of analyzing such soils; despite the fact that most available softwares are unable to do so. This thesis aims at adding one of the common unsaturated soil models to a geotechnical software and use that to model and analyze earth structures such as earth dams, foundations, embankments, etc. The Wheeler model (2003) for unsaturated soils is used in this study. This model takes advantage of two independent stress variables to model a soil’s behavior. The most prominent characteristic of this model is coupling the mechanical and hydraulic behaviors of soils in addition to considering the effect of saturation on the mechanical behavior. The geotechnical software used in this study is Flac 2D which uses the Finite Difference Method (FDM) to solve the problems. In this study, the Wheeler model is first added to the software as the constitutive model of unsaturated soils, and then the results are compared to lab data and the implemented code is thus verified. Eventually, the software is used to model an embankment and an earth foundation and the results are analyzed. The comparison of the lab results and the basic BBM model results in the literature with those of this study shows that considering the coupling of the mechanical and hydraulic behavior results in a more accurate modeling and analysis. In addition, it was observed that considering the unsaturated behavior in soils results in a lower amount of settlement. In the end, the effect of climate condition on soil settlement, the most important of which is soil collapse during the wetting process, is investigated
- Keywords:
- Unsaturated Soil ; FLAC Software ; Numerical Modeling ; Wheeler Model
-
محتواي کتاب
- view
- فصل 1: مقدمه
- 1-1- پیشگفتار
- 1-2- اهداف پژوهش
- 1-3- ساختار پژوهش
- فصل 2: مروری بر مطالعات پیشین
- 2-1- پیشگفتار
- 2-2- مکانیک رفتاری خاکهای غیراشباع
- 2-2-1- مکش در خاک و روشهای اندازهگیری آن
- 2-2-2- مفهوم مکش و مشخصات فیزیکی مرتبط با آن
- (2-1) =− .ln()
- (2-2) =+
- (2-3) − = 2
- 2-2-3- مکش ساختاری
- شکل (2-1) مویینگی و اثر آن بر مکش ساختاری(Mitchell,1993)
- شکل (2-2) جذب آب توسط ذرات رسی(Jotisankasa, 2005)
- 2-2-4- روشهای اندازهگیری مکش ساختاری
- 2-2-5- منحنی مشخصه آب-خاک (SWCC)
- شکل (2-3) منحنی مشخصه آب- خاک (Brooks and Corey, 1966)
- 2-3- مدل رفتاری خاکهای غیراشباع
- 2-3-1- متغیرهای تنش
- (2-4) ′ = − +( − )
- (2-5) − و −
- (2-6) − و ( − )
- (2-7) − و (− )
- (2-8) − − =
- (2-9) − + − − =
- 2-3-2- تغییرات حجم
- 2-3-3- مقاومت برشی
- (2-10) = − tan ′ + − tan + ′ = − tan ′ +
- 2-3-1- متغیرهای تنش
- 2-4- مدلهای رفتاری موجود برای خاکهای غیراشباع
- 2-4-1- مدلهای رفتاری برای خاکهای غیر متورم شونده
- 2-4-1-1- مدل BBM
- (2-11) تنش میانگین خالص − = 1 3 1 +2 3 −
- (2-12) تنش انحرافی = 1 − − 3 − = 1 − 3
- (2-13) مکش = −
- 2-4-1-2- مدل Wheeler & Sivakumar (1995)
- 2-4-1-3- مدل ارائهشده توسط Bolzon (1996)
- (2-14) ′ =− +
- (2-15) =1− tanh(.)
- 2-4-1-1- مدل BBM
- 2-4-2- مدلهای رفتاری برای خاکهای متورم شونده
- 2-4-2-1- مدل Wheeler (2003)
- (2-16) ∗ = 0 ∗
- (2-17) ∗ = ∗
- (2-18) ∗ = ∗
- (2-19) = ∗ ∗
- (2-20) = (−) 0 ∗ 0 ∗
- (2-21) =0
- (2-22) =− ∗ ∗
- (2-23) =− − ∗ ∗ =− − ∗ ∗
- (2-24) =0
- (2-25) = (−) (1− 1 2 ) 0 ∗ 0 ∗ − 1 ∗ ∗
- (2-26) =− ( − ) (1− 1 2 ) ∗ ∗ − 2 0 ∗ 0 ∗
- 2-4-2-2- مدل Santagiuliana (2006)
- (2-27) تجزیه نمو کرنش به دو بخش الاستیک و پلاستیک = +
- (2-28) رابطه بین نمو تنش و کرنش الاستیک ′ =
- (2-29) قانون جریان =
- (2-30) = 1 ′ + 1
- (2-31) = + +
- (2-32) = 1 1+ 2 { ; }
- (2-33) =(1+)( −)
- (2-34) = 1 1+ 2 { ; }
- (2-35) =(1+)( −)
- (2-36) = 0 ′ ( + )
- (2-37) 0 = 1+ 0 0 −
- (2-38) =1+
- (2-39) = 0 1 exp(− 0 )
- 2-4-2-3- مدل De'an Sun (2007)
- (2-40) ′ = ′ ( 0 ′ ) 0 − −
- (2-41) 0 = ′ ( ′ ′ ) − 0 −
- (2-42) = 0 + +
- (2-43) ′ = ′ 0 0 + ′
- (2-44) ′ 0 = 0 − − ( 0 ′ ) 0 − −
- (2-45) ′ = ′ ( 0 −) ( − ) 2 ( + ) 2 ′ 0
- (2-46) = ′ (1+) ′
- (2-47) = ( 0 −) 0 (1+) 0
- (2-48) = ( 0 −) (1+) 0 ′ − ′ / ′ 0
- (2-49) =− −
- (2-50) =− −
- 2-4-2-1- مدل Wheeler (2003)
- 2-4-3- مدلهای ارائهشده در سالهای اخیر:
- 2-4-3-1- مدل D. Masin & N. Khalili (2008)
- (2-51) = (ℒ:+ )
- (2-52) = +.
- (2-53) χ= 1 ≥ ( ) <
- (2-54) = + 1− .
- (2-55) ln 1+ = − ∗
- (2-56) =+ ln( )
- (2-57) ∗ = ∗ + ln( )
- (2-58) = ℒ:+ +
- (2-59) =
- (2-60) = () − ()
- (2-61) = ℒ:+ +
- (2-62) = () − () < >
- 2-4-3-2- مدل W. Fuentes & Th. Triantafyllidis (2013)
- شکل (2-4) شبیهسازی مدل برای شاخههای اصلی منحنی SWCC (Brooks & Corey, 1966) (a،(Van (b Genuchten, 1980)
- شکل (2-5) منحنی توسعهیافته (Van Genuchten, 1980) برای مواد شکلپذیر
- شکل (2-6) شبیهسازی تنش ایزوتروپ در شرایط مکش ثابت a) درصدتخلخل b) درجهاشباع W.Fuentes & Th.Triantafyllidis, 2013
- (2-63) مدل هیدرولیکی = −(1− ) − (1+)
- (2-64) مدل مکانیکی =( − + 3 <− >), ℎ = +
- 2-4-3-3- مدل ارائهشده توسط H.Ghasemzadeh & S.A Ghoreishian Amiri (2013)
- شکل (2-7) منحنی SWCC مدل Wheeler (2003)
- شکل (2-8) سطوح تسلیم برای شرایط تنش سه محوری (H.Ghasemzadeh & S.A Ghoreishian Amiri, 2013)
- (2-65) ∗ = 0 ∗ , = 0 , = 0
- (2-66) 0 ∗ = 0 − 1
- (2-67) = − (1− ) 2
- 2-4-3-4- مدل ارائهشده توسطG.D Nguyen & Y.Gan (2013)
- شکل (2-9) اثر نیروهای کاپیلاره بر مدل a) تماس ذرات در طول سطح فرضی b) ایدهالسازی تماس بینذرهای و نیروی کاپیلاره (G.D Nguyen & Y.Gan, 2013)
- شکل (2-10) اثر درجه اشباع بر نیروهای کاپیلاره (G.D Nguyen & Y.Gan, 2013)
- شکل (2-11) a) اثرات درجه اشباع b)مدول الاستیسیته ، بر مقاومت کششی (G.D Nguyen & Y.Gan, 2013)
- شکل (2-12) a) اثر فشار نرمال b) مدول الاستیسیته ، بر مقاومت برشی (G.D Nguyen & Y.Gan, 2013)
- 2-4-3-1- مدل D. Masin & N. Khalili (2008)
- 2-4-1- مدلهای رفتاری برای خاکهای غیر متورم شونده
- 2-5- مدلسازی عددی خاکهای غیراشباع:
- 2-6- جمعبندی و نتیجهگیری:
- فصل 3: کلیات مدل ویلر
- 3-1- پیشگفتار
- 3-2- مفاهیم بهکاررفته در مدل ویلر
- شکل (3-1) هیسترزیس هیدرولیکی در منحنی مشخصه SWCC (Wheeler, 2003)
- شکل (3-2) آبهای menisci و bulk (Wheeler, 2003)
- شکل (3-3) شماتیک نیروی عمود بر سطوح (N σ)و نیروی مماس بر سطوح(N T) (Wheeler & Karbu, 1995)
- شکل (3-4) جابجایی محل تماس آب-هوا به علت مکش (Wheeler, 2003)
- شکل (3-5) هیسترزیس هیدرولیکی در منحنی مشخصه آب (Wheeler, 2003)
- شکل (3-6) سیکلهای ترشوندگی- خشک شوندگی روی رس (Alonso et al, 1995)
- شکل (3-7) سیکل ترشوندگی-خشک شوندگی بر روی خاک کائولین در شرایط ایزوتروپ (Sharma, 1998) a) حجم مخصوص b) درجهاشباع
- شکل (3-8) اثر سیکل ترشوندگی-خشک شوندگی بر رفتارهای بعدی تحت بار ایزوتروپ (Sharma, 1998) a) حجم مخصوص b) درجهاشباع
- شکل (3-9) رفتار خاک کائولین در حین بارگذاری ایزوتروپ با مکش ثابت (Sharma, 1998) a) حجم مخصوص b) درجهاشباع
- 3-3- مهمترین ویژگیهای مدل Wheeler (2003)
- 3-4- متغیرهای تنش و کرنش بهکاررفته در مدل ویلر
- (3-1) ∗ = −[ + 1− ]
- (3-2) ∗ =− −(1− )
- (3-3) ∗ =.
- 3-5- معرفی منحنیهای تسلیم مدل
- 3-5-1- منحنی تسلیم LC
- شکل (3-10) رابطه بین مکش و اضافه نیروی نرمال ناشی از آب menisci (Wheeler, 2003)
- شکل (3-11) منحنی تسلیم LC a) حرکت مستقیم منحنی به علت تسلیم شدن روی منحنی LC b) حرکت همبسته سطح تسلیم به علت ایجاد درجه اشباع برگشت ناپذیر (Wheeler, 2003)
- 3-5-2- منحنیهای SI و SD
- شکل (3-12) نمایش هیسترزیس هیدرولیکی بهعنوان پروسههای الاستیک-پلاستیک (Wheeler, 2003)
- شکل (3-13) حرکت مستقیم منحنیهای SI و SD به علت تسلیم روی منحنیهای SI یا SD (Wheeler, 2003)
- شکل (3-14) اثر کرنش حجمی پلاستیک بر منحنیهای ترشوندگی-خشک شوندگی اولیه (Wheeler, 2003)
- شکل (3-15) حرکت همبسته منحنیهای SI و SD به علت کرنشهای حجمی پلاستیک (Wheeler, 2003)
- شکل (3-16) منحنیهای تسلیم LC ، SD و SI در شرایط ایزوتروپ(q=0) (Wheeler, 2003)
- 3-5-1- منحنی تسلیم LC
- 3-6- معرفی پارامترهای مدل ویلر
- شکل (3-17) مدلی برای منحنی مشخصه آب (Wheeler, 2003)
- 3-7- فرمولبندی مدل ویلر در فضای تنشهای همسان
- 3-7-1- سطوح تسلیم
- (3-4) ∗ = 0 ∗
- (3-5) ∗ = ∗
- (3-6) ∗ = ∗
- 3-7-2- کرنش حجمی
- (3-7) = ∗ ∗
- (3-8) = (−) 0 ∗ 0 ∗
- (3-9) =0
- 3-7-3- درجه اشباع
- (3-10) =− ∗ ∗
- (3-11) =− − ∗ ∗ =−( − ) ∗ ∗
- (3-12) =0
- 3-7-4- وابستگی منحنیهای تسلیم
- (3-13) 0 ∗ 0 ∗ = 1 ∗ ∗ = 1 ∗ ∗
- (3-14) ∗ ∗ = ∗ ∗ = 2 0 ∗ 0 ∗
- (3-15) 0 ∗ 0 ∗ = (−) − 1 ( − )
- (3-16) ∗ ∗ = ∗ ∗ =− − + 2 (−)
- (3-17) = (−) (1− 1 2 ) 0 ∗ 0 ∗ − 1 ∗ ∗
- (3-18) =− ( − ) (1− 1 2 ) ∗ ∗ − 2 0 ∗ 0 ∗
- 3-7-1- سطوح تسلیم
- 3-8- نحوه یافتن ثابتهای مدل ویلر در آزمایشگاه
- 3-8-1- پارامترهای رفتار مکانیکی برای شرایط تنش همسان( و )
- 3-8-2- پارامترهای مرتبط با رفتار هیدرولیکی ( و )
- 3-8-3- پارامترهای همبستگی (k2 و k1 )
- 3-9- جمعبندی و نتیجهگیری:
- فصل 4: آمادهسازی روابط ویلر برای نرمافزار Flac و صحت سنجی آن
- 4-1- پیشگفتار
- 4-2- فرمولبندی مدل برحسب مسیرهای تنش متعارف
- 4-2-1- حالت الاستیک (کرنش حجمی الاستیک و تغییر درجه اشباع برگشتپذیر)
- (4-1) ∗ = − + +
- (4-2) ∗ =−
- (4-3) ≠0 و =0
- (4-4) d ∗ = d( p – u ) + sd
- (4-5) ∗ =−
- (4-6) ∗ =+
- (4-7) ∗ =−
- (4-8) = (+ ) (+ )
- (4-9) =− (− )
- (4-10) =( × ∗ ×× )/(1− × 2 ∗ ×× )×
- (4-11) = ∗
- (4-12) =0 و ≠0
- (4-13) d ∗ = ds + sd
- (4-14) ∗ =−
- (4-15) = ( + ) (+ )
- (4-16) =− (− )
- (4-17) = − (− ∗ / 1− × 2 ∗ ×
- 4-2-2- حالت پلاستیک
- 4-2-2-1- حالت تسلیم روی منحنی LC (بدون رسیدن به سطوح تسلیم SI یا SD)
- (4-18) ∗ =+
- (4-19) ∗ =−
- (4-20) 0 ∗ = ∗ و 0 ∗ = ∗
- (4-21) = − 2 0 ∗ / ∗ − (−) 2 2 0 ∗
- (4-22) ∗ = +
- (4-23) ∗ =−
- (4-24) = ( (−) ∗ −) ∗ − 2 (−) ∗
- 4-2-2-1- حالت تسلیم روی منحنی LC (بدون رسیدن به سطوح تسلیم SI یا SD)
- 4-2-3- حالت تسلیم روی منحنی SI یا SD (بدون رسیدن به سطح تسلیم LC)
- (4-25) ∗ =+
- (4-26) ∗ =−
- (4-27) ∗ = ∗ و ∗ = ∗
- (4-28) = 2 ∗ ∗ − − 2 2 ∗
- (4-29) ∗ = +
- (4-30) ∗ =−
- (4-31) = ( 2 ∗ −) ∗ ( − ) − 2 2 ∗
- 4-2-4- حالت تسلیم همزمان روی دو سطح تسلیم
- (3-8) = (−) 0 ∗ 0 ∗
- (4-32) ∗ =+
- (4-33) ∗ =−
- (4-34) = ∗ + (−) ∗ (1− 1 2 )
- (4-35) =− (−) 1 ∗ (1− 1 2 )
- (4-36) = ( − ) 2 ∗ (1− 1 2 )
- (4-37) =− ∗ − ( − ) ∗ (1− 1 2 )
- (4-38) ∗ = 1+ 2 ( +1) −
- (4-39) = 1+ ∗
- (4-40) = − (1+ ) ∗
- (4-41) ∗ = +
- (4-42) ∗ =−
- (4-43) = + − 2 (1+ )
- (4-44) =1+ 2 (1+ ) −
- (4-45) ∗ = ×
- (4-46) = ( ∗ +×) (1+ )
- (4-47) = ∗ + ∗
- (4-48) =. =
- (4-49) = . , = .
- 4-2-1- حالت الاستیک (کرنش حجمی الاستیک و تغییر درجه اشباع برگشتپذیر)
- 4-3- پیشبینی مدل
- شکل (4-1) شرایط مرزی و بارگذاری یک چهارم المان (پژوهش حاضر)
- 4-3-2- بارگذاری ایزوتروپ در مکش ثابت
- شکل (4-2) شبیهسازی مدل برای تنش ایزوتروپ در مکش ثابت a) فضای تنش اصلاحی b) حجم مخصوص c) درجهاشباع (Wheeler, 2003)
- شکل (4-3) مقایسه نتایج کد واردشده در نرمافزار Flac با مدل ویلر a) فضای تنش اصلاحی b) حجم مخصوص c) درجهاشباع (پژوهش حاضر)
- 4-3-3- متورم شوندگی و فروریزش در حین تر شوندگی (مکش متغیر، بار ثابت)
- شکل (4-4) شبیهسازی مدل در شرایط ترشوندگی با تنش ایزوتروپ ثابت a) فضای تنش اصلاحی b) حجم مخصوص c) درجهاشباع (Wheeler, 2003)
- شکل (4-5) مقایسه نتایج کد واردشده در نرمافزار Flac با مدل ویلر در حالت تنش ایزوتروپ ثابت a) فضای تنش اصلاحی b) حجم مخصوص c) درجهاشباع (پژوهش حاضر)
- شکل (4-6) مقایسه نتایج کد واردشده در نرمافزار Flac در حالت مکش ثابت با تنشهای ایزوتروپ متفاوت a) فضای تنش اصلاحی b) حجم مخصوص c) درجهاشباع (پژوهش حاضر)
- 4-3-4- بارگذاری سیکلی (کاهش-افزایش مکش)
- شکل (4-7) شبیهسازی مدل برای یک سیکل ترشوندگی و خشکشوندگی a) فضای تنش اصلاحی b) حجم مخصوص c) درجهاشباع (Wheeler, 2003)
- شکل (4-8) مقایسه نتایج کد وارد شده در نرمافزار Flac برای یک سیکل ترشوندگی-خشک شوندگی با مدل ویلر(2003) a) فضای تنش اصلاحی b) حجم مخصوص c) درجهاشباع (پژوهش حاضر)
- 4-4- حالت چند المانی
- شکل (4-9) مقایسه حالت چند المانی با تک المانی و مدل ویلر در حالت مکش ثابت a) فضای تنش اصلاحی b) حجم مخصوص c) درجهاشباع (پژوهش حاضر)
- شکل (4-10) مقایسه حالت چند المانی با تک المانی و مدل ویلر در حالت تنش ایزوتروپ ثابت a) فضای تنش اصلاحی b) حجم مخصوص c) درجهاشباع (پژوهش حاضر)
- 4-5- مقایسه با دادههای آزمایشگاهی
- شکل (4-11) صحت سنجی مدل وارد شده در نرمافزار با شرایط آزمایشگاهی (پژوهش حاضر)
- جدول (4-1) پارامترهای آزمایشگاهی و مورداستفاده برای مدل BBM (Raveevdiraraj, 2009)
- جدول (4-2) ثابتهای خاک (مطالعه حاضر)
- جدول (4-3) موقعیت اولیه سطوح تسلیم (مطالعه حاضر)
- شکل (4-12) مقایسه نتایج آزمایشگاهی و مدل BBM (Raveevdiraraj, 2009) با مطالعه حاضر، تنش خالص متغیر و مکش ثابت
- شکل (4-13) مقایسه نتایج آزمایشگاهی و مدل BBM (Raveevdiraraj, 2009) با مطالعه حاضر، تنش خالص ثابت و مکش متغیر (سیکل ترشوندگی-خشکشوندگی)
- شکل (4-11) صحت سنجی مدل وارد شده در نرمافزار با شرایط آزمایشگاهی (پژوهش حاضر)
- 4-6- جمعبندی و نتیجهگیری:
- فصل 5: مدلسازی
- 5-1- پیشگفتار
- 5-2- خاکریز
- 5-2-1- مشخصات خاک و پارامترهای مدل
- جدول (5-1) پارامترهای مدل BBM مورد استفاده در پژوهش Zheng (2013)
- جدول (5-2) پارامترهای مدل ویلر (پژوهش حاضر)
- جدول (5-3) شرایط اولیه سطح تسلیم (پژوهش حاضر)
- 5-2-2- شبکهبندی مدل ، شرایط مرزی و فرآیند مدلسازی
- شکل (5-1) هندسه مدلZheng, 2013
- شکل (5-2) شبکهبندی و شرایط مرزی مدل (Zheng, 2013)
- 5-2-3- نتایج بهدستآمده و تحلیل نتایج
- شکل (5-3) بردار جابجایی در خاکریز بعد از اتمام ساخت ناشی از وزن خود Zheng (2013)
- شکل (5-4) بردار جابجایی در خاکریز بعد از تر شوندگی Zheng (2013)
- شکل (5-5) بردار جابجایی در خاکریز بعد از اتمام ساخت (پژوهش حاضر)
- شکل (5-6) کنتور جابجاییها بعد از اتمام خاکریز ناشی از وزن خاکریز (مطالعه حاضر)
- شکل (5-7) بردار جابجایی در خاکریز بعد از تر شوندگی (پژوهش حاضر)
- شکل (5-8) کنتور جابجاییها بعد از تر شوندگی (مطالعه حاضر)
- شکل (5-9) مقایسه نشست محور میانی خاکریز در راستای ارتفاع خاکریز
- شکل (5-10) بردار جابجایی در خاکریز در حالت خشک (پژوهش حاضر)
- شکل (5-11) بردار جابجایی در خاکریز بعد ازتر شوندگی (مطالعه حاضر، یکلایه)
- شکل (5-12) کنتور جابجاییها بعد از تر شوندگی (مطالعه حاضر، یکلایه)
- 5-2-4- افزایش محدوده فونداسیون خاکریز در حالت قبل
- شکل (5-13) بردار جابجایی در خاکریز بعد از اتمام ساخت (مطالعه حاضر، افزایش محدوده فونداسیون)
- شکل (5-14) بردار جابجایی در خاکریز بعد از تر شوندگی (مطالعه حاضر، افزایش محدوده فونداسیون)
- 5-2-1- مشخصات خاک و پارامترهای مدل
- 5-3- فونداسیون
- 5-3-1- مشخصات مدل و پارامترهای خاک
- شکل (5-15) هندسه مدل و مش بندی Abed & Vermeer (2008)
- جدول (5-4) پارامترهای مدل BBM بر طبق پژوهش Abed & Vermeer (2008)
- جدول (5-5) پارامترهای مدلسازی (مطالعه حاضر)
- جدول (5-6) شرایط اولیه سطوح تسلیم (مطالعه حاضر)
- شکل (5-15) هندسه مدل و مش بندی Abed & Vermeer (2008)
- 5-3-2- شبکهبندی مدل،شرایط مرزی
- شکل (5-16) شبکهبندی فونداسیون (مطالعه حاضر)
- شکل (5-17) شرایط مرزی فونداسیون (مطالعه حاضر)
- شکل (5-18) بردار جابجایی و نشست (مطالعه حاضر)
- شکل (5-19) کنتور جابجاییها و نشست (مطالعه حاضر)
- شکل (5-20) نمودار بار-نشست (مطالعه حاضر)
- شکل (5-21) نمودار بار-نشست (Abed & Vermeer, 2008)
- شکل (5-22) مقایسه پژوهش حاضر با پژوهش Abed & Vermeer (2008)
- 5-3-1- مشخصات مدل و پارامترهای خاک
- 5-4- جمعبندی و نتیجهگیری:
- فصل 6: نتیجهگیری و پیشنهادها
- 6-1- نتیجهگیری
- 6-2- پیشنهادها