Development of an advanced constitutive model for spoil-structure interaction problems

• Autorzy: Doan Nhat-Phi , Liakou Anna , Garala Thejesh Kumar , Cui Ge , Kantesaria Naman , Halder Koushik , Heron Charles M. , Marshall Alec M.

Warianty tytułu

PL

Opracowanie zaawansowanego modelu konstytutywnego dla oddziaływań zwałowisko-konstrukcja budowlana

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Revitalisation options for mine spoil heaps is an important issue to consider when planning for post-mining land use. One option is the installation of wind turbines on the spoil heaps, which provide a sustainable energy source. This option poses challenges for foundation design due to the nature of the spoil material, which is usually highly heterogeneous due to the way spoils are deposited, and can contain high proportions of high-plasticity cohesive soils (clay). This paper presents results obtained using an advanced constitutive model that was developed to simulate cohesive mine spoil behaviour and presents model results for the prediction of foundation response under both monotonic and cyclic loading. The model is a modified version of the original isotropic bounding surface plasticity model that additionally involves a damaged-based plastic modulus in order to realistically represent soil strength degradation induced by cyclic action. The model is used for the simulation of shallow foundations for onshore wind turbines on a cohesive clay with a heterogeneous (linearly increasing) undrained shear strength (random spatial variability is not considered). Two different loading scenarios of a shallow strip foundation are considered in the paper: a pure moment-vertical loading (M-V), and a moment-horizontal-vertical loading (M-H-V). The effect of the adopted spoil-foundation interface type is also considered: (1) a fully-bonded interface and (2) a tensionless interface. Results demonstrate that, though the vertical bearing capacity is only slightly affected by the interface properties, the moment capacity is shown to be strongly influenced by the predefined contact conditions. For the footing system under M-H-V loading, a dominant footing uplift mechanism is obtained for light structures and the opposite holds for heavily loaded structures, where significant settlement accumulation occurs during cyclic loading. Based on the analysis, the moment bearing capacity of the footing system decreases as the slenderness ratio and/or the vertical safety factor increase, and the opposite mechanism is obtained as the strength heterogeneity degree increases.

PL

Możliwości rewitalizacji zwałowisk są ważnym zagadnieniem przy planowaniu zagospodarowania terenów pogórniczych. Jedną z opcji jest instalacja na hałdach turbin wiatrowych, które stanowią zrównoważone źródło energii. Opcja ta stanowi wyzwanie dla projektowania fundamentów biorąc pod uwagę charakter materiału zwałowego, który ze względu na sposób deponowania jest zwykle wysoce niejednorodny i może zawierać dużo wysokoplastycznych gruntów spoistych (iłów). W artykule przedstawiono wyniki uzyskane przy użyciu zaawansowanego modelu konstytutywnego, który został opracowany w celu symulacji zachowania spoistego materiału zwałowego oraz zaprezentowano wyniki modelowania dla przewidywania reakcji fundamentu będącego zarówno pod obciążeniem monotonicznym jak i cyklicznym. Model jest zmodyfikowaną wersją oryginalnego izotropowego modelu plastyczności powierzchni granicznej, który dodatkowo zawiera moduł plastyczności oparty na zniszczeniu w celu realistycznego przedstawienia degradacji wytrzymałości gruntu wywołanej działaniem cyklicznym. Model jest wykorzystywany do symulacji płytkich fundamentów turbin wiatrowych na iłach spoistych o niejednorodnej (liniowo wzrastającej) wytrzymałości na ścinanie bez odpływu (nie uwzględniono losowej zmienności przestrzennej). W pracy rozpatrzono dwa różne scenariusze obciążenia płytkiej ławy fundamentowej: czyste obciążenia moment-pionowe (M-V) oraz obciążenia moment-poziome-pionowe (M-H-V). Rozważono również wpływ przyjętego rodzaju styku zwałowisko-fundament: (1) całkowicie związany oraz (2) beznaprężeniowy. Wyniki pokazują, że choć nośność pionowa tylko w niewielkim stopniu zależy od właściwości styku, to okazuje się, że nośność momentu jest silnie uzależniona od zdefiniowanych wcześniej warunków kontaktowych. Dla systemu stopy fundamentowej pod obciążeniem M-H-V, w przypadku lekkich konstrukcji uzyskuje się dominujący mechanizm unoszenia stopy, a w przypadku konstrukcji silnie obciążonych odwrotny, gdzie podczas cyklicznego obciążenia następuje znaczna akumulacja osiadań. Na podstawie przeprowadzonej analizy można stwierdzić, że nośność systemu stopy fundamentowej maleje wraz ze wzrostem współczynnika smukłości i/lub pionowego współczynnika bezpieczeństwa, a odwrotny mechanizm uzyskuje się wraz ze wzrostem stopnia niejednorodności wytrzymałości.

Słowa kluczowe

EN

spoil; numerical modelling; constitutive model; rocking; cyclic loading

PL

zwałowisko; modelowanie numeryczne; model konstytutywny; przechylenie; obciążenie cykliczne

• Wydawca: Instytut Górnictwa Odkrywkowego "Poltegor-Instytut"
• Czasopismo: Górnictwo Odkrywkowe
• Rocznik: 2022
• Tom: R. 63, nr 3
• Strony: 43--50
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz.

Twórcy

autor

Doan Nhat-Phi

• Faculty of Engineering, University of Nottingham, United Kingdom

autor

Liakou Anna

• Faculty of Engineering, University of Nottingham, United Kingdom

autor

Garala Thejesh Kumar

• Faculty of Engineering, University of Nottingham, United Kingdom

autor

Cui Ge

• Faculty of Engineering, University of Nottingham, United Kingdom

autor

Kantesaria Naman

• Faculty of Engineering, University of Nottingham, United Kingdom

autor

Halder Koushik

• Faculty of Engineering, University of Nottingham, United Kingdom

autor

Heron Charles M.

• Faculty of Engineering, University of Nottingham, United Kingdom

autor

Marshall Alec M.

• Faculty of Engineering, University of Nottingham, United Kingdom

Bibliografia

• [1] Andersen, K. 2015. Cyclic soil parameters for offshore foundation design. In Frontiers in Offshore Geotechnics III, pp. 5-82. CRC Press.
• [2] Andersen, K. H., A. Kleven, and D. Heien. 1988. Cyclic soil data for design of gravity structures. Journal of Geotechnical Engineering 114 (5), 517-539.
• [3] Butterfield, R., G. T. Houlsby, and G. Gottardi. 1997. Standardized sign conventions and notation for generally loaded foundations. Géotechnique 47 (5), 1051-1054.
• [4] Dafalias, Y. F. 1986. Bounding surface plasticity. I: Mathematical foundation and hypoplasticity. Journal of Engineering Mechanics 112 (9), 966-987.
• [5] Dafalias, Y. F. and L. R. Herrmann. 1986. Bounding surface plasticity II. application to isotropic cohesive soils. Journal of Engineering Mechanics 112 (12), 1263-1291.
• [6] Gazetas, G., Anastasopoulos, I., Adamidis, O., Kontoroupi, T., 2013. Nonlinear rocking stiffness of foundations. Soil Dynamics and Earthquake Engineering 47, 83-91.
• [7] Kaliakin, V. N. and Nieto-Leal, A. 2013. Towards a Generalized Bounding Surface Model for Cohesive Soils. In Fifth Biot Conference on Poromechanics.
• [8] Masoudian, M. S., Zevgolis, I. E., Deliveris, A. V., Marshall, A. M., Heron, C. M., & Koukouzas, N. C. (2019a). Stability and characterisation of spoil heaps in European surface lignite mines: a state-of-the-art review in light of new data. Environmental Earth Sciences, 78(16), 1-18.
• [9] Seidalinov, G. and M. Taiebat (2014). Bounding surface SANICLAY plasticity model for cyclic clay behavior. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics 38 (7), 702-724.
• [10] Shi, Z., J. P. Hambleton, and G. Buscarnera. 2019. Bounding surface elastoviscoplasticity: A general constitutive framework for rate-dependent geomaterials. Journal of Engineering Mechanics 145 (3).
• [11] Thian, S. and C. Lee. 2014. Geotechnical characterisation of high plasticity offshore clay. Journal of Scientific Research and Reports 3 (21), 2745-2756.
• [12] Vulpe, C., Gourvenec, S., Power, M., 2014. A generalised failure envelope for undrained capacity of circular shallow foundations under general loading. Géotechnique Letters 4, 187-196.
• [13] Zevgolis, I. E., Theocharis, A. I., Deliveris, A. V., Koukouzas, N. C., Roumpos, C., & Marshall, A. M. (2021). Geotechnical characterization of fine-grained spoil material from surface coal mines. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 147(7), 04021050.

Uwagi

PL

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).