Influence of soil anisotropic stiffness on the deformation induced by an open pit excavation

• Autorzy: Lisewska Katarzyna , Cudny Marcin

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2023.147652

Warianty tytułu

PL

Wpływ anizotropii sztywności podłoża gruntowego na odkształcenie wywołane otwartym wykopem

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In this paper, the problem of deformation induced by an open pit excavation in anisotropic stiff soils is analysed by FE modelling. The presented research is focused on the influence of material model with anisotropic stiffness on the accuracy of deformation predictions as compared with the field measurements. A new hyperelastic-plastic model is applied to simulate anisotropic mechanical behaviour of stiff soils. It is capable to reproduce mixed variable stress-induced anisotropy and constant inherent cross-anisotropy of the small strain stiffness. The degradation of stiffness depending on strain is modelled with the Brick-type model. The model formulation and parameters are briefly presented. General deformation pattern obtained in the exemplary 2D boundary value problem of an open pit excavation is investigated considering different values of inherent cross-anisotropy coefficient of small strain stiffness. The numerical simulations are performed as a coupled deformation-flow analysis which allows to properly model the drainage conditions. The excavation phases are simulated by removal of soil layers according to the realistic time schedule. Finally, the monitored case of the trial open pit excavation in heavily overconsolidated Oxford Clay at Elstow, UK is simulated with proposed material model both in 2D and 3D conditions. The obtained calculation results are compared with displacement measurements and discussed.

PL

Modelowanie numeryczne zagadnień geotechnicznych związanych z odciążeniem podłoża (np. tunelowanie, wykopy) wymaga odpowiedniego opisu materiałowego gruntu, który pozwala na prawidłową symulację charakterystyki mechanicznej w zakresie małych odkształceń. Najważniejszymi elementami są tutaj nieliniowość sztywności związana z barotropią oraz degradacją stycznego modułu ścinania z odkształceniem oraz inherentna anizotropia sztywności. Modele konstytutywne dostępne w popularnych systemach obliczeniowych rzadko pozwalają na uwzględnienie anizotropii sztywności w zakresie małych odkształceń. Najczęściej przyczyną jest bardziej skomplikowana procedura implementacji niż w przypadku modeli z izotropową sztywnością, jak również ograniczona dostępność parametrów materiałowych związanych z anizotropią. Rozwój technik pomiarowych w eksperymentalnej mechanice gruntów, obserwowany w ostatnich latach na całym świecie, pozwala jednak na zaprojektowanie i przeprowadzenie badań anizotropii sztywności w warunkach ważnych inwestycji lub projektów badawczych. Najczęściej jest to pomiar współczynnika anizotropii αG w aparacie trójosiowym wyposażonym w elementy sejsmiczne bender zorientowane zarówno w pionie jak i w poziomie. System taki pozwala na bezpośrednie wyznaczenie modułów ścinania w płaszczyźnie pionowej Gvh oraz poziomej Ghh (αG= Ghh/Gvh). W artykule przedstawiono własny hipersprężysto-plastyczny model konstytutywny uwzględniający zarówno nieliniowość jak i anizotropię sztywności w zakresie małych odkształceń. W modelu tym wykorzystano anizotropową hipersprężystość do opisu sztywności początkowej, system zagnieżdżonych powierzchni plastyczności w przestrzeni odkształcenia do opisu degradacji sztywności (tzw. model Brick) oraz konwencjonalne kryterium wytrzymałości na ścinanie do ograniczenia dewiatorowych stanów naprężenia. Model został zaimplementowany w programie metody elementów skończonych Plaxis w ramach opcji User Defined Soil Model (UDSM). Analizowanym zagadnieniem brzegowo początkowym jest próbny otwarty wykop wykonany w ile oxfordzkim w Elstow, Wielka Brytania. Szeroka baza danych dotyczących niestandardowych badań laboratoryjnych iłu oksfordzkiego zorientowanych, oprócz wyznaczenia parametrów standardowych, na charakterystykę anizotropii sztywności dostępna jest w literaturze. Dokładny opis realizacji wykonanego próbnego wykopu z danymi pozwalającymi na przeprowadzenie własnych analiz wraz z wynikami monitoringu przemieszczeń dostępne są w publikacji Hird&Pierpoint (Geotechnique 47(3), 1997). Umożliwiło to, kalibrację parametrów anizotropowego modelu hipersprężysto-plastycznego i przeprowadzenie analizy wstecz będącej cenną weryfikacją przydatności opracowanego modelu konstytutywnego. Przed wykonaniem symulacji numerycznych próbnego wykopu w Elstow przeprowadzono również serię obliczeń na uproszczonym przykładowym modelu wykopu otwartego w płaskim stanie odkształcenia w celu rozpoznania wpływu czystej anizotropii inherentnej na deformację powstającą podczas odciążenia podłoża gruntowego takim wykopem. Symulację numeryczną wykopu próbnego w Elstow przeprowadzono zarówno w płaskim stanie odkształcenia jak i na modelu przestrzennym. Metoda symulacji odpowiadała podejściu sprzężonemu konsolidacji z równoczesnym uwzględnieniem przepływu wody w gruncie (coupled deformation flow analysis). Warunki czasowe wykonania wykopu próbnego, jak również parametry filtracyjne oraz mechaniczne zalegających gruntów powodują jednak, że przedmiotowe zagadnienie brzegowo-początkowe zachodzi ostatecznie w warunkach bliskich warunkom braku drenażu. Wyniki przeprowadzonych symulacji numerycznych porównano z wynikami monitoringu przemieszczenia. Uzyskano zadowalającą zgodność obliczonego i pomierzonego pola przemieszczenia. Dokładność wyników obliczeń jest jednak zmienna w zależności od obszaru analizowanego zagadnienia. Odpowiednie porównania przedstawiono na rysunkach w artykule.

Słowa kluczowe

EN

soil stiffness; anisotropy; overconsolidated clay; open pit excavation; FE modelling; geotechnics

PL

anizotropia; sztywność gruntu; odkształcenie małe; grunt prekonsolidowany; wykop otwarty; modelowanie MES; geotechnika

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2023
• Tom: Vol. 69, nr 4
• Strony: 141--156
• Opis fizyczny: Bibliogr. 25 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Lisewska Katarzyna

• Gdańsk University of Technology, Faculty of Civil and Environmental Engineering, Gdańsk, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-5184-9747

autor

Cudny Marcin

• Gdańsk University of Technology, Faculty of Civil and Environmental Engineering, Gdańsk, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-3446-1940

Bibliografia

• [1] T.I. Addenbrooke, D.M. Potts, and A.M. Puzrin, “The influence of pre-failure soil stiffness on the numerical analysis of tunnel construction”, Géotechnique, vol. 47, no. 3, pp. 693-712, 1997, doi: 10.1680/geot.1997.47.3.693.
• [2] C.W.W. Ng, E.H.Y. Leung, and C.K. Lau, “Inherent anisotropic stiffness of weathered geomaterial and its influence on ground deformations around deep excavations”, Canadian Geotechnical Journal, vol. 41, no. 1, pp. 12-24, 2004, doi: 10.1139/t03-066.
• [3] A. Brosse, R. Hosseini Kamal, R.J. Jardine, and M.R. Coop, “The shear stiffness characteristics of four Eocene-to-Jurassic UK stiff clays”, Géotechnique, vol. 67, no. 3, pp. 242-259, 2017, doi: 10.1680/jgeot.15.P.236.
• [4] N.D. Pierpoint, “The prediction and back analysis of excavation behaviour in Oxford Clay”, PhD thesis, The University of Sheffield, United Kingdom 1996.
• [5] C.C. Hird and N.D. Pierpoint, “Stiffness determination and deformation analysis for a trial excavation in Oxford Clay”, Géotechnique, vol. 47, no. 3, pp. 665-691, 1997, doi: 10.1680/geot.1997.47.3.665.
• [6] M. Cudny, Some aspects of the constitutive modelling of natural fine grained soils. Gdansk: Faculty of Civil and Environmental Engineering, Gdansk University of Technology, Wydawnictwo IMOGEOR, 2013.
• [7] M. Cudny and K. Staszewska, “A hyperelastic model for soils with stress-induced and inherent anisotropy”, Acta Geotechnica, vol. 16, no. 7, pp. 1983-2001, 2021, doi: 10.1007/s11440-021-01159-z.
• [8] M. Cudny and E. Partyka, “Influence of anisotropic stiffness in numerical analyses of tunnelling and excavation problems in stiff soils”, in Proceedings of the 19th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, L. Woojin. Seoul: ISSMGE, 2017, pp. 719-722.
• [9] M. Cudny, K. Lisewska, M. Winkler, and T. Marcher, “Modelling tunnelling-induced deformation in stiff soils with a hyperelastic-plastic anisotropic model”, submitted to Acta Geotechnica, 2023.
• [10] R.B.J. Brinkgreve, S. Kumarswamy, W.M. Swolfs, L. Zampich, and N. Ragi Manoj, Plaxis finite element code for soil and rock analyses. Plaxis bv, Bentley Systems, Incorporated, 2022.
• [11] P.A. Vermeer, “A five constant model unifying well established concepts”, in Constitutive relations of soils. Rotterdam: Balkema, 1985, pp. 175-197.
• [12] J.P. Boehler and A. Sawczuk, “On yielding of oriented solids”, Acta Mechanica, vol. 27, pp. 185-206, 1977, doi: 10.1007/BF01180085.
• [13] J. Graham and G.T. Houlsby, “Anisotropic elasticity of a natural clay”, Géotechnique, vol. 33, no. 2, pp. 165-180, 1983, doi: 10.1680/geot.1983.33.2.165.
• [14] D. Mašín and J. Rott, “Small strain stiffness anisotropy of natural sedimentary clays: review and a model”, Acta Geotechnica, vol. 9, no. 2, pp. 299-312, 2014, doi: 10.1007/s11440-013-0271-2.
• [15] D.J. Pickering, “Anisotropic elastic parameters for soil”, Géotechnique, vol. 20, no. 3, pp. 271-276, 1970, doi: 10.1680/geot.1970.20.3.271.
• [16] B. Simpson, J.H. Atkinson, and V. Jovičič, “The influence of anisotropy on calculations of ground settlements above tunnels”, in Geotechnical Aspects of Underground Construction in Soft Ground. Rotterdam: Balkema, 1996, pp. 591-594.
• [17] Z. Mróz, “On the description of anisotropic workhardening”, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, vol. 15, no. 3, pp. 163-175, 1967, doi: 10.1016/0022-5096(67)90030-0.
• [18] A.M. Puzrin and G.T. Houlsby, “Strain-based plasticity models for soils and the BRICK model as an example of the hyperplasticity approach”, Géotechnique, vol. 51, no. 2, pp. 169-172, 2001, doi: 10.1680/geot.2001.51.2.169.
• [19] T. Länsivaara and S. Nordal, “A soil model for the overconsolidated region of clays”, in 4th European Conference on Numerical Methods in Geotechnical Engineering, NUMGE98. Udine: Springer, 1998, pp. 347-356.
• [20] S.D. Clarke and C.C. Hird, “Modelling of viscous effects in natural clays”, Canadian Geotechnical Journal, vol. 49, no. 2, pp. 129-140, 2012, doi: 10.1139/t11-084.
• [21] K.C. Ellison, K. Soga, and B. Simpson, “A strain space soil model with evolving stiffness anisotropy”, Géotechnique, vol. 62, no. 7, pp. 627-641, 2012, doi: 10.1680/geot.10.P.095.
• [22] M. Cudny and A. Truty, “Refinement of the Hardening Soil model within the small strain range”, Acta Geotechnica, vol. 15, no. 8, pp. 2031-2051, 2020, doi: 10.1007/s11440-020-00945-5.
• [23] H. Matsuoka and T. Nakai, “Stress-strain relationship of soil base on the SMP, constitutive equations of soils”, in Proceedings of the 9th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Speciality Session. Tokyo, 1977, pp. 153-162.
• [24] B. Jeremič and S. Sture, “Implicit integrations in elastoplastic geotechnics”, Mechanics of Cohesive-frictional Materials, vol. 2, no. 2, pp. 165-183, 1997, doi: 10.1002/(SICI)1099-1484(199704)2:2<165::AIDCFM31>3.0.CO;2-3.
• [25] R. Hosseini Kamal, M.R. Coop, R.J. Jardine, and A. Brosse, “The post-yield behaviour of four Eocene-to-Jurassic UK stiff clays”, Géotechnique, vol. 64, no. 8, pp. 620-634, 2014, doi: 10.1680/geot.13.P.043.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2024).