ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΣΕΙΣΜΙΚΗΣ ΑΠΟΚΡΙΣΗΣ ΕΔΑΦΩΝ ΚΑΙ ΑΒΑΘΩΝ ΘΕΜΕΛΙΩΣΕΩΝ ΜΕΤΑ ΑΠΟ ΠΑΘΗΤΙΚΗ ΣΤΑΘΕΡΟΠΟΙΗΣΗ ΕΝΑΝΤΙ ΡΕΥΣΤΟΠΟΙΗΣΗΣ - Πανάγου, Ηλιάνα (Σχολή Πολιτικών Μηχανικών, 2015)
Σε θέσεις υφιστάμενων κατασκευών, η χρήση των πλέον διαδεδομένων μεθόδων αποτροπής της σεισμικής ρευστοποίησης είναι είτε δυσχερής ή αδύνατη (π.χ. δονητική αντικατάσταση). Σε τέτοιες θέσεις, οι συνήθως εφαρμοζόμενες μέθοδοι (μικροπάσσαλοι, ενέματα υψηλού ιξώδους, προκατασκευασμένα στραγγιστήρια) δεν αποτρέπουν τη ρευστοποίηση σε όλη την κάτοψη (λόγω αδυναμίας πρόσβασης του εξοπλισμού) και ενδέχεται να δημιουργήσουν δομικά προβλήματα (π.χ. ανασήκωμα θεμελίων). Μια εναλλακτική μέθοδος βελτίωσης του εδάφους χωρίς τα ανωτέρω μειονεκτήματα είναι η παθητική σταθεροποίηση. Πρόκειται για την αργή εισπίεση κολλοειδούς πυριτίας (ενός υδατικού διαλύματος νανο-σωματιδίων πυριτίου SiO2) που χαρακτηρίζεται από αρχικώς χαμηλό ιξώδες (που επιτρέπει την ευχερή διήθησή του), που όμως αυξάνει ραγδαία μετά από ελεγχόμενο χρόνο (όταν φθάσει στην επιθυμητή θέση θεμελίωσης). Η αύξηση του ιξώδους μετατρέπει το υγρό πόρων του ρευστοποιήσιμου εδάφους σε γέλη, και η εν λόγω γέλη καθιστά το σταθεροποιημένο (πλέον) έδαφος πιο δύστμητο και λιγότερο συστολικό, με αποτέλεσμα τη μη-συσσώρευση μεγάλων παραμορφώσεων υπό ανακυκλική διάτμηση που σχετίζονται με τη ρευστοποίηση. Η μηχανική συμπεριφορά των σταθεροποιημένων εδαφών έχει αποτελέσει διεθνές αντικείμενο έρευνας μόλις τα τελευταία 15 χρόνια. Η έρευνα αυτή έως τώρα είναι σχεδόν αποκλειστικά πειραματικής φύσης. Ωστόσο, η εφαρμογή της νέας μεθόδου βελτίωσης εδαφών στην πράξη χρειάζεται επιπλέον και μια μεθοδολογία αριθμητική προσομοίωση της σεισμικής συμπεριφοράς του σταθεροποιημένου εδάφους, με απώτερο σκοπό τη χρήση της για το σχεδιασμό έργων Πολιτικού Μηχανικού. Στόχος της παρούσας εργασίας λοιπόν είναι η κατοχύρωση και η διακρίβωση αξιοπιστίας μιας τέτοιας αριθμητικής μεθοδολογίας, βασιζόμενη σε συγκρίσεις με πειραματικές μετρήσεις σε επίπεδο εδαφικού στοιχείου και σε προβλήματα συνοριακών τιμών. Ελλείψει εξειδικευμένου καταστατικού προσομοιώματος για σταθεροποιημένες άμμους, επιχειρείται εναλλακτικά η «ευφυής» χρήση ενός σοφιστευμένου προσομοιώματος κρίσιμης κατάστασης NTUA-SAND, που έχει αποδείξει την ικανότητά του να περιγράφει επακριβώς τη μονοτονική και ανακυκλική συμπεριφορά αμμωδών εδαφών. Η «ευφυής» χρήση συνίσταται στην εκτέλεση συζευγμένων δυναμικών αναλύσεων χρησιμοποιώντας τη μέθοδο των πεπερασμένων διαφορών, διερευνώντας δύο (2) βασικές οδούς προσομοίωσης: (α) την αναβαθμονόμηση των σταθερών του προσομοιώματος για τον εδαφικό σκελετό (αποδίδοντας την πιο δύστμητη και λιγότερο συστολική συμπεριφορά) και (β) τη μείωση του μέτρου συμπίεσης K του υγρού των πόρων, συγκριτικά με την τιμή Kw του νερού (αποτυπώνοντας τη διαφαινόμενη αυξημένη συμπιεστότητα της πυριτίας συγκριτικά με το νερό). Συγκρίσεις με εργαστηριακές ανακυκλικές δοκιμές εδαφικού στοιχείου υποδεικνύουν ότι και οι δύο (2) αυτές οδοί είναι εν δυνάμει κατάλληλες για την προσομοίωση της συμπεριφοράς του σταθεροποιημένου εδάφους. Όμως, η σύγκριση με δύο (2) δυναμικές δοκιμές φυγοκέντρισης, μια για επίπεδη στρώση και μία για στρώση σταθεροποιημένου εδάφους υπό μικρή κλίση, υποδεικνύουν ότι: • η αναβαθμονόμηση των σταθερών του προσομοιώματος και του μέτρου συμπίεσης Κ του υγρού πόρων που βασίζονται μόνο σε δοκιμές στοιχείου υποεκτιμούν την αποδοτικότητα της βελτίωσης σε προβλήματα συνοριακών τιμών, • η μείωση του μέτρου συμπίεσης K του υγρού των πόρων ως συνάρτηση της συγκέντρωσης πυριτίας CS (%) κατά βάρος (για συνήθεις τιμές 5-10%), μπορεί να αποτελέσει ένα ενιαίο πλαίσιο προσομοίωσης για προβλήματα συνοριακών τιμών. Στη συνέχεια, έγινε παραμετρική αριθμητική διερεύνηση της 1Δ σεισμικής απόκρισης σταθεροποιημένων εδαφικών στρώσεων με χρήση του ως άνω πλαισίου προσομοίωσης, απ' όπου προέκυψε ότι: • Η σεισμική απόκριση πλήρως σταθεροποιημένης στρώσης προσεγγίζει την αντίστοιχη απόκριση του φυσικού εδάφους υπό πλήρως στραγγιζόμενες συνθήκες, και μάλιστα για μικρής έντασης διεγέρσεις οι δύο αυτές αποκρίσεις ταυτίζονται. • Σε μερικώς (μόνο επιφανειακά) σταθεροποιημένες στρώσεις, η σεισμική απόκριση καθορίζεται κυρίως από τη συμπεριφορά της υποκείμενης φυσικής στρώσης, η οποία αν έχει επαρκές πάχος και ρευστοποιηθεί, οδηγεί σε έντονη απομείωση της ταλάντωσης στην επιφάνεια. • Στατιστική επεξεργασία των αναλύσεων οδήγησε στην κατάστρωση απλών πολυ-παραμετρικών σχέσεων εκτίμησης της ενίσχυσης του ελαστικού φάσματος απόκρισης της επιτάχυνσης σε σταθεροποιημένες στρώσεις (κορυφή προς βάση). Τέλος, έγινε παραμετρική αριθμητική διερεύνηση της σεισμικής απόκρισης απειρομήκους επιφανειακού θεμελίου επί σταθεροποιημένης στρώσης, με χρήση του ίδιου πλαισίου προσομοίωσης, με τα ακόλουθα συμπεράσματα: • Αν το θεμέλιο εδράζεται επί πλήρως σταθεροποιημένης στρώσης, οι επιταχύνσεις στη στάθμη έδρασης είναι εν δυνάμει σημαντικές, αλλά οι σεισμικές καθιζήσεις είναι αρκετά μικρότερες απ’ ότι για τη φυσική άμμο. • Αν το θεμέλιο εδράζεται σε μερικώς (μόνο επιφανειακά) σταθεροποιημένη στρώση, οι επιταχύνσεις στη στάθμη έδρασης μπορεί να απομειωθούν, λόγω της υποκείμενης πιθανώς ρευστοποιήσιμης στρώσης. Ωστόσο, μια επιφανειακή σταθεροποίηση πάχους ίσου με το εύρος θεμελίου δε δείχνει επαρκής να απομειώσει τις σεισμικές καθιζήσεις, ενώ, αντίθετα, για πάχος διπλάσιο του εύρους θεμελίου προκύπτει σχεδόν το πλήρες σχετικό όφελος. Υπογραμμίζεται ότι η προτεινόμενη μεθοδολογία αριθμητικής προσομοίωσης σταθεροποιημένων εδαφών έχει διακριβωθεί με δοκιμές υπό διεγέρσεις μικρής και μέσης έντασης. Συνεπώς, η χρήση της, καθώς και των συμπερασμάτων της για τη σεισμική απόκριση σταθεροποιημένων εδαφών (με ή χωρίς θεμέλιο) θα πρέπει, προς το παρόν, να περιορίζεται σε τέτοιου είδους διεγέρσεις.