Αριθμητική προσομοίωση σεισμικής απόκρισης εδαφών και βαθιών θεμελιώσεων μετά από παθητική σταθεροποίηση έναντι ρευστοποίησης - Τιπτιρής, Ιωάννης (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών. Τομέας Γεωτεχνικής, 2017)
Σε θέσεις υφιστάμενων κατασκευών, η χρήση των πλέον διαδεδομένων μεθόδων αποτροπής ή/και περιορισμού της σεισμικής ρευστοποίησης είναι είτε δύσκολη ή αδύνατη (π.χ. δονητική αντικατάσταση). Σε τέτοιες θέσεις, συνήθως επιλέγονται μικροπάσσαλοι, ενέματα υψηλού ιξώδους, ή προκατασκευασμένα στραγγιστήρια που αφενός δεν αποτρέπουν τη ρευστοποίηση σε όλη την κάτοψη (λόγω αδυναμίας πρόσβασης του εξοπλισμού) και αφετέρου μπορούν να δημιουργήσουν δομικά προβλήματα (π.χ. ανασήκωμα θεμελίων με χρήση ενεμάτων). Μια εναλλακτική μέθοδος βελτίωσης του εδάφους χωρίς τα παραπάνω μειονεκτήματα είναι η παθητική σταθεροποίηση. Πρόκειται για την αργή εισπίεση κολλοειδούς πυριτίας (ενός υδατικού διαλύματος νάνο-σωματιδίων SiO2) που χαρακτηρίζεται από αρχικώς χαμηλό ιξώδες (επιτρέποντας την εύκολη διήθησή του), που όμως αυξάνει ραγδαία μετά από ελεγχόμενο χρόνο (όταν φθάσει στη θέση θεμελίωσης). Η αύξηση του ιξώδους μετατρέπει το υγρό πόρων του εδάφους σε γέλη και η εν λόγω γέλη καθιστά το σταθεροποιημένο έδαφος πιο δύστμητο και λιγότερο συστολικό, με αποτέλεσμα τον περιορισμό των παραμορφώσεων υπό ανακυκλική διάτμηση που σχετίζονται με τη ρευστοποίηση. H εφαρμογή της νέας μεθόδου βελτίωσης εδαφών στην πράξη χρειάζεται μια μεθοδολογία αριθμητικής προσομοίωσης της σεισμικής συμπεριφοράς του σταθεροποιημένου εδάφους. Δεδομένου ότι δεν υπάρχει τέτοια μεθοδολογία στη βιβλιογραφία πέραν της πρόσφατης πρότασης της Αγαπουλάκη (2017), στόχος της παρούσας εργασίας είναι να καλυφτεί αυτό το κενό, μέσω συγκρίσεων αριθμητικών προσομοιώσεων με πειραματικές μετρήσεις κυρίως από δυναμικές δοκιμές σε φυγοκεντριστή (από τη βιβλιογραφία) που αφορούν στη σεισμική απόκριση των σταθεροποιημένων άμμων. Ελλείψει ενός εξειδικευμένου καταστατικού προσομοιώματος για τέτοια εδάφη, επιχειρήθηκε η «ευφυής» χρήση του προσομοιώματος NTUA-SAND (Andrianopoulos et al. 2010) που αφορά σε φυσικές άμμους. Μια νέα μεθοδολογία προσομοίωσης προέκυψε εν μέρει από την επεξεργασία των πρόσφατων πειραματικών αποτελεσμάτων μιας σειράς μονοτονικών τριαξονικών δοκιμών (σε δοκίμια άμμου Μ31 πριν και μετά από σταθεροποίηση με κολλοειδή πυριτία) των Georgiannou et al. (2017) και Παυλοπούλου (2017). Από την επεξεργασία των αποτελεσμάτων των εν λόγω δοκιμών προέκυψαν οι Γραμμές Κρίσιμης Κατάστασης (CSL) της φυσικής και της σταθεροποιημένης άμμου Μ31 στο χώρο δείκτη πόρων – μέσης ενεργού τάσης, με τη δεύτερη να είναι μετατοπισμένη σε μεγαλύτερους δείκτες πόρων και να είναι μεγαλύτερης κλίσης, ποσοτικοποιώντας την αύξηση της δυστμησίας και μείωση της συστολικότητας λόγω σταθεροποίησης που όμως φθίνει σε μεγάλες τιμές μέσης τάσης. Δεδομένου ότι οι διαθέσιμες δοκιμές φυγοκεντριστή έχουν εκτελεστεί σε άμμο Nevada και όχι M31 και το προσομοίωμα NTUA-SAND έχει βαθμονομηθεί για φυσική άμμο Nevada έγινε η παραδοχή ότι η σταθεροποίησή της θα οδηγεί σε αντίστοιχα μετατοπισμένη CSL. Ο πρώτος έλεγχος αυτής της έμμεσης βαθμονόμησης έγινε με προσομοιώσεις ανακυκλικών δοκιμών απλής διάτμησης για φυσική και σταθεροποιημένη άμμο Nevada και έδειξε ότι δίνει αυξημένη αντοχή σε ρευστοποίηση, που είναι στο άνω όριο του εύρους των αντίστοιχων βιβλιογραφικών δεδομένων από πειραματικές μετρήσεις σε άλλες άμμους. Στη συνέχεια εκτελέσθηκαν προσομοιώσεις τριών (3) προβλημάτων συνοριακών τιμών, προκειμένου να διακριβωθεί η αξιοπιστία της νέας μεθοδολογίας, με χρήση της μεθόδου των πεπερασμένων διαφορών με τα λογισμικά FLAC και FLAC3D. Συγκεκριμένα, προσομοιώθηκαν τρεις (3) σειρές δυναμικών δοκιμών φυγοκεντριστή, μία για τη 1Δ σεισμική απόκριση επίπεδου εδάφους (Gallagher et al. 2007), μία για τη 2Δ σεισμική απόκριση εδάφους υπό μικρή κλίση (Conlee et al. 2012) και μία για την 3Δ σεισμική απόκριση πασσαλομάδας σε έδαφος υπό μικρή κλίση (Pamuk et al. 2007), καλύπτοντας ένα αρκετά μεγάλο εύρος εντάσεων διέγερσης ώστε να ληφθεί μια ξεκάθαρη εικόνα για την καταλληλότητα εφαρμογής των υπό εξέταση μεθοδολογιών προσομοίωσης. Συγκεκριμένα εξετάσθηκαν: (α) ο επαναπροσδιορισμός της CSL του σταθεροποιημένου υλικού (όπως παραπάνω), (β) η υπάρχουσα βέλτιστη προσέγγιση που έγκειται στην σημαντική μείωση του μέτρου συμπιεστότητας Κ του υγρού των πόρων (Αγαπουλάκη 2017) και (γ) μία προσέγγιση που συνδυάζει τις (α) και (β), δηλαδή τον επαναπροσδιορισμό της CSL ταυτόχρονα με μια ελαφρά μείωση του μέτρου συμπιεστότητας Κ του υγρού των πόρων. Τα αποτελέσματα των εν λόγω προσομοιώσεων κατέδειξαν τα εξής: • Η σημαντική μείωση του μέτρου συμπιεστότητας του υγρού των πόρων Κ, χωρίς αλλαγή στις σταθερές του προσομοιώματος για τον εδαφικό σκελετό (Αγαπουλάκη 2017), προβλέπει ικανοποιητικά τα αποτελέσματα όλων των εξετασθέντων δοκιμών σε επίπεδο μετακινήσεων, επιταχύνσεων, υπερπιέσεων πόρων, αλλά και καμπτικών ροπών της πασσαλομάδας του πειράματος των Pamuk et al. (2007). • Ο επαναπροσδιορισμός της CSL του σταθεροποιημένου υλικού, χωρίς αλλαγή στο μέτρο συμπιεστότητας του υγρού πόρων Κ, οδηγεί σε ποιοτικώς ορθά αποτελέσματα, αλλά δεν προσφέρει ποσοτική ακρίβεια. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι η ρευστοποίηση καθυστερεί μεν χρονικά αλλά δεν αποφεύγεται τελικώς, ενώ υπερεκτιμούνται οι μετακινήσεις των σταθεροποιημένων εδαφών. • Ο συνδυασμός της επαναπροσδιορισμένης CSL με ελαφρά μείωση του μέτρου συμπιεστότητας Κw (ελαφρότερη εκείνης της Αγαπουλάκη 2017) οδηγεί σε ελαφρώς ακριβέστερα αποτελέσματα συγκριτικά με την υπάρχουσα βέλτιστη πρόταση. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι παρατηρείται ελαφρώς καλύτερη εκτίμηση των μετακινήσεων, ενώ οι καμπτικές ροπές της πασσαλομάδας στο πείραμα των Pamuk et al. (2007) προσεγγίζονται με συγκρίσιμη ακρίβεια με εκείνη της υπάρχουσας βέλτιστης πρότασης.