Αριθμητική ανάλυση απόκρισης επιχώματος οδοποιίας από διάρρηξη υποκείμενου ενεργού ρήγματος

Abstract

Seismic design of a highway embankment is a significant issue of Geotechnical Earthquake Engineering, because its potential failure can cause severe social and financial consequences. There are two types of earthquake loading. The first one is transient dynamic oscillations due to propagation of seismic waves away from the seismic source. The second one is a permanent quasi static ground deformation caused by fault rupture propagation through the overlying soil. In the past, occurrence of earthquake events has shown the great impact of fault rupture propagation on the integrity of constructions and technical projects.Based on the above, PhD dissertation investigated the response of a typical highway embankment founded on a single-layered soil due to normal and reverse fault rupture diffusion. The main goal of this work was to assess the adverse effects of disruption spread to the functionality and safety of the embankment. For this purpose, an important number of quasi-static parametric numerical analyses were performed by using the 2D finite difference software, FLAC. However, before performing the analyses, it was necessary to confirm constitutive model’s capability to reliably simulate soil’s response. To accomplish this, numerical outputs were tested with data obtained from centrifuge tests and published numerical analyses results.The PhD dissertation was divided into two parts. In the first part of this research, the effect of overlying embankment on fault outcropping path and on soil surface deformation was studied. To achieve this, parametric analyses were carried out for both single-layered soil and embankment’s presence on the top of single-layered soil. Numerical outputs were compared on the basis of vertical displacement of ground surface and formation of shear bands on the soil layer.In the second part, focus was paid on the assessment of fault rupture effects on an overlying highway embankment. Firstly, fault rupture path through embankment, alteration of embankment’s geometry and vertical displacements of its external surface were examined. However, the main goal of this work was to quantify and specify the spatial variation of embankment’s damage due to rupture diffusion. For this purpose, two criteria were suggested and subsequently adopted. The first criterion relied on the relative compaction (RC) of the embankment. It is widely accepted that RC is a robust criterion of embankment's functionality. According to output of numerical analyses, it was observed that along the main and the secondary rupture or shear zones developed into embankment's body, values of RC decreased less than 94%. Based on this observation, it was regarded that an indicator of quantification of potential damage could be the percentage of embankment’s area where RC<94% (RC94). The second criterion was based on the ratio of volume modification over the original volume of the embankment (ΔV/V0). The combination of the above criteria proved to be a reliable tool that enabled mapping and quantification of damage caused by fault rupture propagation on a highway embankment.Assessment of analyses’ results showed that the existence of the embankment affects both rupture’s path and deformations of the soil’s free surface. In addition, regardless of the type of fault, rupture spread through the embankment causes a significant deformation on its external surface and a significant reduction of its relative compaction. Finally, it was found that for most of the analyses, the disruption of a normal rupture tends to cause a greater drop of embankment’s relative compaction and more pronounced change in its initial volume.The aforementioned results contribute significantly to an effort to assess highway or motorway embankment’s damage caused by both normal and / or reverse fault rupture propagation. The use of the proposed criteria is a first attempt to assess the impact of rupture propagation on safety and functionality of unreinforced highway embankments. They form a reliable tool based on which, quantification and mapping of damage within embankment’s body can be achieved.

Ο αντισεισμικός σχεδιασμός ενός επιχώματος οδοποιίας αποτελεί ένα κρίσιμο ζήτημα το οποίο καλείται να αντιμετωπίσει η Γεωτεχνική Σεισμική Μηχανική, καθώς μια πιθανή αστοχία του μπορεί να επιφέρει σοβαρές οικονομικές αλλά και κοινωνικές συνέπειες ή ακόμα και να απειλήσει την ανθρώπινη ζωή. Η διάρρηξη ενός σεισμικού ρήγματος προκαλεί δύο μηχανισμούς φόρτισης στις υπερκείμενες κατασκευές. Ο πρώτος είναι η παροδική δυναμική ταλάντωση που οφείλεται στη διάδοση των σεισμικών κυμάτων μακριά από τη σεισμική πηγή, ενώ, ο δεύτερος είναι οι μόνιμες οιονεί στατικές παραμορφώσεις που προκαλεί στο έδαφος η διάδοση της διάρρηξης του ρήγματος. Κατά το παρελθόν, η εκδήλωση μεγάλων σεισμών έχει αναδείξει τη μεγάλη επιρροή της διάδοσης της διάρρηξης στην ακεραιότητα των κατασκευών και των τεχνικών έργων. Δεν είναι λίγες οι περιπτώσεις κατά τις οποίες η διάδοση της διάρρηξης έχει οδηγήσει σε σημαντικές αστοχίες ή ακόμα και στην κατάρρευση τους.Έχοντας υπόψιν τα παραπάνω, αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής αποτέλεσε η διερεύνηση της απόκρισης ενός τυπικού επιχώματος οδοποιίας το οποίο θεμελιώνεται πάνω σε μια εδαφική στρώση λόγω διάδοσης της διάρρηξης σεισμικών ρηγμάτων. Βασικό μέλημα της παρούσας έρευνας υπήρξε η εκτίμηση και η αξιολόγηση των δυσμενών επιπτώσεων που προκαλεί η διάρρηξη στη λειτουργικότητα και στην ασφάλεια του επιχώματος. Η μελέτη της επίδρασης της διάρρηξης στο επίχωμα πραγματοποιήθηκε μέσω της διεξαγωγής οιονεί στατικών αριθμητικών αναλύσεων και της χρήσης της μεθόδου των πεπερασμένων διαφορών. Για να επιτευχθεί αυτό, επιλέχθηκε η χρήση του δι-διάστατου λογισμικού FLAC. Αφού πραγματοποιήθηκε ο έλεγχος αξιοπιστίας του επιλεγόμενου καταστατικού προσομοιώματος μέσω των συγκρίσεων των αριθμητικών αποτελεσμάτων με δημοσιευμένα πειραματικά και αριθμητικά δεδομένα, με σκοπό τη διερεύνηση της επιρροής των χαρακτηριστικών τόσο της στρώσης θεμελίωσης όσο και του ρήγματος, έλαβε χώρα μια εκτεταμένη παραμετρική διερεύνηση.Το ερευνητικό αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής κινήθηκε γύρω από δύο άξονες. Ο πρώτος αναφερόταν στη μελέτη της επίδρασης της παρουσίας του επιχώματος στη διαδρομή διάρρηξης, αλλά και στην προκαλούμενη παραμόρφωση της επιφάνειας του εδάφους. Προκειμένου να επιτευχθεί αυτό, διεξήχθησαν παραμετρικές αναλύσεις τόσο για την περίπτωση ενός μονοστρωματικού εδάφους, όσο και για την περίπτωση που ένα επίχωμα οδοποιίας θεμελιώνεται πάνω στην επιφάνεια του. Τα εξαγόμενα αποτελέσματα συγκρίθηκαν βάσει της μορφής των αναπτυσσόμενων ζωνών διάτμησης μέσα στο μονοστρωματικό έδαφος και βάσει του σημείου ανάδυσης της διάρρηξης στο ελεύθερο πεδίο. Επίσης, όσον αφορά στην παραμόρφωση της εδαφικής επιφάνειας, μελετήθηκαν οι κατακόρυφες μετατοπίσεις που αναπτύχθηκαν κάτω από τη βάση του επιχώματος.Ο δεύτερος άξονας της διερεύνησης, στον οποίο αντιστοιχεί το κυριότερο τμήμα της έρευνας, επικεντρώθηκε στη μελέτη των επιπτώσεων της διάδοσης της διάρρηξης στο επίχωμα. Αρχικά, μελετήθηκαν: η διαδρομή διάδοσης της διάρρηξης μέσα στο σώμα του επιχώματος, η μεταβολή της γεωμετρίας του επιχώματος όπως επίσης και οι κατακόρυφες μετατοπίσεις που αναπτύσσονται στην εξωτερική του επιφάνεια. Η αξιολόγηση των παραπάνω αποτελεσμάτων παρείχε μια πρώτη εκτίμηση της επίδρασης της διάδοσης της διάρρηξης στην ακεραιότητα του επιχώματος. Ωστόσο, όλα τα παραπάνω δεν ήταν ικανά να προσδιορίσουν ποσοτικά τον βαθμό και την έκταση της βλάβης που προκαλούνταν στο επίχωμα λόγω της διάρρηξης. Κρίθηκε, λοιπόν, αναγκαία η εύρεση ενός εργαλείου που θα επέτρεπε τον προσδιορισμό του μεγέθους και της έντασης της προκαλούμενης βλάβης. Για τον σκοπό αυτό, προτάθηκαν δύο κριτήρια η χρήση των οποίων επέτρεψε τόσο τη χωροθέτηση της βλάβης μέσα στο σώμα του επιχώματος όσο και την ποσοτικοποίησή της. Το πρώτο κριτήριο βασίστηκε στη μεταβολή της σχετικής συμπύκνωσης (RC) του επιχώματος το οποίο αποτελεί ένα σαφές κριτήριο της λειτουργικότητάς του. Μέσω αυτού, υπολογίστηκε η τιμή της σχετικής συμπύκνωσης του επιχώματος μετά την ολοκλήρωση της διάρρηξης. Αυτό έδωσε τη δυνατότητα να παραχθούν διαγράμματα κατανομής της σχετικής συμπύκνωσης στο σώμα του επιχώματος μέσω των οποίων επιτεύχθηκε η χαρτογράφηση της βλάβης. Στο σημείο αυτό διαπιστώθηκε πως στις περιοχές του επιχώματος όπου αναπτυσσόταν οι ζώνες διάτμησης, δηλαδή στις περιοχές όπου εντοπιζόταν η βλάβη του επιχώματος, η RC λάμβανε τιμές μικρότερες του 94%. Με βάση αυτό θεωρήθηκε πως το ποσοστό της συνολικής επιφάνειας του επιχώματος που παρουσίαζε τιμές RC<94% (RC94) θα μπορούσε να αποτελέσει έναν δείκτη ποσοτικού προσδιορισμού της βλάβης. Το δεύτερο κριτήριο βασίστηκε στην εκτίμηση της ποσοστιαίας μεταβολής του αρχικού όγκου του επιχώματος (ΔV/V0). Ο προσδιορισμός της μεταβολής του όγκου του επιχώματος συνέβαλε στην ποσοτικοποίηση της βλάβης. Ο συνδυασμός των διαγραμμάτων κατανομής της σχετικής συμπύκνωσης του επιχώματος και των ποσοστών ΔV/V0 και RC94 αποτέλεσαν ένα αξιόπιστο εργαλείο το οποίο παρείχε τη δυνατότητα χαρτογράφησης και ποσοστικοποίησης της βλάβης που προκαλεί η διάρρηξη υποκείμενων ρηγμάτων σε ένα επίχωμα οδοποιίας. Από την αξιολόγηση των εξαγομένων συμπερασμάτων διαπιστώνεται πως η θεμελίωση του επιχώματος στην επιφάνεια ενός μονοστρωματικού εδάφους επηρεάζει τόσο τη διαδρομή διάδοσης της διάρρηξης, όσο και τις αναπτυσσόμενες παραμορφώσεις της ελεύθερης επιφάνειας του εδάφους. Επιπλέον, ανεξάρτητα από το είδος της διάρρηξης, η διάδοση της διάρρηξης μέσα στο επίχωμα προκαλεί σημαντική παραμόρφωση στην εξωτερική επιφάνεια του επιχώματος και αξιοσημείωτη μείωση της σχετικής συμπύκνωσής του. Τέλος, διαπιστώθηκε πως για το μεγαλύτερο μέρος των αναλύσεων, η διάρρηξη κανονικού ρήγματος τείνει να προκαλέσει μεγαλύτερη απομείωση της σχετικής συμπύκνωσης του επιχώματος και εντονότερη μεταβολή του αρχικού του όγκου. Τα παραπάνω αποτελέσματα υποδεικνύουν τη σημαντική συμβολή της παρούσας διατριβής στην εκτίμηση και στην αξιολόγηση των επιπτώσεων της διάδοσης της διάρρηξης σεισμικών ρηγμάτων σε υπερκείμενο επίχωμα οδοποιίας. Μέσω της χρήσης των προτεινόμενων κριτηρίων επιτυγχάνεται ο προσδιορισμός του αντίκτυπου της διάρρηξης στην ακεραιότητα και στη λειτουργικότητα των επιχωμάτων οδοποιίας. Τέλος, ο συνδυασμός αυτών των απλών κριτηρίων αποτελεί ένα εύχρηστο και αξιόπιστο εργαλείο χαρτογράφησης και ποσοτικοποίησης της βλάβης του επιχώματος εύκολα αντιληπτό και από τους Μηχανικούς της πράξης.