Προσομοίωση της συμπεριφοράς εδαφών βελτιωμένων με χαλικοπασσάλους

Abstract

Amongst the various methods for improving in-situ ground conditions, column inclusions are considered one of the most versatile and cost effective ground improvement techniques. The columnar inclusions can be of the form of stone columns/granular piles, sand compaction piles, lime or cement columns, etc., which are stiffer and stronger than the ambient soil. The vibrated stone column technique is an economical and environmentally friendly process that enables weak ground to withstand low to moderate loading conditions, and, basically, provides reduction of foundation settlement, improvement of soil bearing capacity, mitigation of liquefaction risk due to seismic activity, and acceleration of the consolidation process. In an attempt to understand and predict the behavior of vibrated stone columns, many studies based on physical modeling, mathematical analysis, and full-scale testing have been carried out. These studies have highlighted various parameters that influence the overall performance of this technique. It should be noted that most of the approaches in estimating settlements of composite ground assume that the axisymmetric theory of unit cell is valid. The unit cell model is analogous to a one dimensional consolidation test as it is loaded by a rigid plate, confined by a rigid frictionless wall and the vertical strains at any horizontal level are uniform. By this assumption, the 3-D nature of the system is studied by the unit cell idealization, which in conjunction with elastic theory or empirical correlations usually underestimates final improvement. For these reasons, three dimensional numerical treatment of the problem seems to be the logical step towards a more realistic representation of the behavior of stone column reinforced soft soils. The main objective of this study was to examine the influence of important factors on the design of stone column groups and to conclude some practical results through three dimensional finite element analysis using ABAQUS. The behavior of reinforced soil compared to unreinforced soil under the same loading conditions was estimated. Design charts were presented, demonstrating the variation of settlement reduction factor β, which is defined as the ratio of foundation settlements for original ground conditions s₀ to final settlements after improvement Sf. The beneficial effect of this ground improvement technique especially on the foundation soil with lower strength characteristics were found to be more pronounced - a remark that was not emphasized till recently. […]

Η βελτίωση εδαφών με χαλικοπασσάλους αποτελεί σήμερα μια από τις πιο διαδεδομένες μεθόδους βελτίωσης αργιλικών εδαφών. Το θεωρητικό υπόβαθρο της μεθόδου απασχόλησε έντονα τους μελετητές τη δεκαετία του ’80 αλλά στη συνέχεια το ενδιαφέρον μειώθηκε κυρίως λόγω των πολλών παραγόντων που εισέρχονται στη διαστασιολόγηση καθώς και των εμπειρικών σχέσεων που προέκυψαν. Οι περιορισμένες πειραματικές εργασίες που εκτελέστηκαν δεν κατάφεραν τελικά να μελετήσουν σε βάθος όλους εκείνους τους παράγοντες που επηρεάζουν τα τελικά αποτελέσματα. Δεν είναι λίγες οι φορές, ακόμα και σήμερα, όπου μελέτες εκτεταμένης επιφάνειας φόρτισης περιοχών βελτιωμένων με χαλικοπασσάλους επιλέγεται να επιλυθούν ελαστικά ή να γίνει χρήση εμπειρικών συσχετίσεων. Επίσης, η προσομοίωση της βελτιωμένης περιοχής με τη μέθοδο των Πεπερασμένων Στοιχείων περιορίζεται κυρίως στην αξονοσυμμετρική ανάλυση μεμονωμένου χαλικοπασσάλου. Το βασικότερο όμως μειονέκτημα της μελέτης βελτιωμένων εδαφών με χαλικοπασσάλους είναι ότι δεν έχει πλήρως κατανοηθεί η μηχανική συμπεριφορά του συστήματος και ότι οι υφιστάμενες μέθοδοι σχεδιασμού όχι μόνο δίνουν μεγάλη διασπορά και ενίοτε αντιφατικά αποτελέσματα, αλλά συνήθως υποεκτιμούν την πραγματική βελτίωση που τελικά επιτυγχάνεται. Τα παραπάνω στοιχεία πιθανώς να αιτιολογούν το μέχρι σήμερα μειωμένο ερευνητικό ενδιαφέρον και συνάμα οριοθετούν το πεδίο εργασίας της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής. Οι βασικοί άξονες της μελέτης είναι οι εξής: • Αρχικά διερευνήθηκε πειραματικά η συμπεριφορά βελτιωμένων δοκιμίων με χαλικοπασσάλους και προέκυψαν ουσιαστικά συμπεράσματα αναφορικά με την επιρροή διαφόρων παραμέτρων στη συμπεριφορά του συστήματος. • Στη συνέχεια προτάθηκε νέος μηχανισμός αστοχίας μεμονωμένου χαλικοπασσάλου με τη μορφή κόλουρου κώνου και ακολούθησε σύγκριση με τα αντίστοιχα αποτελέσματα που προέκυψαν από τη μέθοδο των Πεπερασμένων Στοιχείων και την πλέον διαδεδομένη μέθοδο Priebe. • Στο τελευταίο μέρος παρουσιάστηκαν τα αποτελέσματα από τις τριδιάστατες αναλύσεις ομάδας χαλικοπασσάλων και προτάθηκαν διαγράμματα μεταβολής του συντελεστή βελτίωσης β σε σχέση με τους βασικότερους παράγοντες που επηρεάζουν τη συμπεριφορά των βελτιωμένων εδαφών. Ακολούθησε σύγκριση των τριδιάστατων αναλύσεων με τα αποτελέσματα από το μηχανισμό αστοχίας μεμονωμένου χαλικοπασσάλου που προτάθηκε (κόλουρος κώνος), τη μέθοδο Priebe αλλά και την αξονοσυμμετρική ανάλυση μεμονωμένου χαλικοπασσάλου. Τέλος, έγινε πρακτική εφαρμογή των διαγραμμάτων μεταβολής του συντελεστή βελτίωσης με αποτελέσματα από έργα που έχουν ήδη εκτελεστεί και σχολιάστηκαν τα αποτελέσματα.