Analytical and numerical factor of safety (ULS) calculations on reinforced embankments

magistrsko delo na študijskem programu 2. stopnje UM

Tadej Vidnar (Author), Borut Macuh (Mentor), Christian Lackner (Co-mentor)

Abstract

This thesis deals with factor of safety calculations on geogrid reinforced embankments carried out by commonly used limit equilibrium (LEM) and finite element methods (FEM). The study utilize LEM based software SLIDE and FEM based software PHASE2. The main difference between these two approaches is that the LEM methods are based on the static of equilibrium whereas FEM methods utilise the stress strain relationship. Unlike to LEM, numerical analysis also computes displacements. For practical example of a geogrid reinforced embankment the factor of safeta (FoS) is calculated. Reinforced soil structures are nowadays utilized for a lot of civil engineering applications. Traditionally, the design of geogrid reinforced soil is performed using analytical methods (LEM). Unfortunately, these methods missing the fundamental physics of stress-strain relationship and are therefore not able to compute a realistic stress distribution. In first step of the analysis the FoS is carried out with analytical approach. The most rigorous LEM methods, Bishop’s, Spencer’s and Morgenstern-Price are selected and the FoS for circular and polygonal slip surface is calculated. In second step of the analysis the FoS is carried out with numerical approach. Shear strength reduction (SSR) procedure was performed to determine the critical strength reduction factor (SRF) which represents the FoS of slope.

Keywords

civil engineering;finite element method;FEM;limit equilibrium method;LEM;slope stability;bearing capacity failure;geosynthesis;geogrids;shear strains;

Data

Language:	English
Year of publishing:	2017
Typology:	2.09 - Master's Thesis
Organization:	UM FGPA - Faculty of Civil Engineering, Transportation Engineering and Architecture
Publisher:	[T. Vidnar]
UDC:	624.131.4(043.2)
COBISS:	21227030
Views:	870
Downloads:	161
Average score:	0 (0 votes)
Metadata:

Other data

Secondary language:	Slovenian
Secondary title:	Analitični in numerični izračun faktorja varnosti nasipov iz armirane zemljine za msn
Secondary abstract:	V pričujočem magistrskem delu je preučen analitični in numerični pristop stabilnostne analize izračuna faktorja varnosti nasipa armirane zemljine, kateri je ojačan s pomočjo geomrež. Izračuni so narejeni s pomočjo programske opreme SLIDE, ki temelji na metodi mejnih ravnovesij (deterministični izračun) ter PHASE2, kateri bazira na metodi končnih elementov. Prvo poglavje magistrskega dela predstavlja uvod. V njem je opisana definicija problema, področje raziskav ter namen. Drugo poglavje opisuje armirano zemljino. Armirana zemljina je splošen izraz, ki se uporablja za zemljine, katere so ojačane z armaturo, katera zagotavlja natezno trdnost. Ker so armirane zemljine stroškovno ugodne ter učinkovite se njihova uporaba iz leta v leto veča. V poglavju so na kratko predstavljeni geosintetiki, njihove funkcije ter področje uporabe. Ker je primer iz prakse ojačan z geomrežami je poudarek na le-teh. Geomreže so iztisnjen, zvarjen ali spleten geosintetik, katerega glavna naloga je nosilnost v eni, dveh ali pa v treh smereh. Geomreže so sestavljene iz prečnih ter vzdolžnih elementov in vozlišč, ki predstavljajo točko v kateri se sekata elementa. Tretje poglavje opisuje analitične in numerične metode izračuna stabilnosti pobočja. Oba pristopa sta opisana ter primerjana med seboj. Pri analitičnem pristopu so podrobno opisane najpogosteje uporabljene metode mejnih stanj. Metode se med seboj razlikujejo glede predpostavk lege in naklona normalne in strižne sile ter ravnovesnih pogojev. Metode mejnih ravnovesij temeljijo na predpostavki normalne in strižne sile, ki delujta v lamelah ter kako so te sile določene oz. predpostavljene. Slabost teh determinističnih metod je ta, da ne upoštevajo odnosa napetost-deformacija in posledično s tem pomikov. Glavna razlika med pristopoma je, da analitične metode temeljijo na ravnotežnih pogojih (vsota vseh sil in/ali momentov je enaka nič), medtem ko numerične metode upoštevajo robne pogoje pobočja ter odnos napetost-deformacija. Za razliko od determinističnih metod, numerična analiza s pomočjo končnih elementov izračuna tudi pomike. Razlika je tudi v tem, kako so ojačitveni elementi npr. sidra ali geomreže upoštevana v analizi. Ena izmed teh razlik je ta, da metode mejnih stanj po celotnem ojačitvenem elementu upoštevajo konstantno silo za razliko od numeričnih, ki izračunajo silo v vsaki točki ojačitvenega elementa, katera je proporcionalna deformaciji le-te. Stabilnostna analiza, ki je opisana v četrtem poglavju je narejena na praktičnem primeru nasipa iz armirane zemljine ojačane s pomočjo geomrež, kateri se od izvirnega projekta razlikuje samo v tem, da pobočje sestavljajo tri plasti zemljine in ne zgolj ena plast. V tem poglavju so prikazane geometrija nasipa, karakteristike zemljin ter izračun projektne odpornosti geomrež ter trenje in adhezija med zemljino in geomrežo. Opisan je tudi postopek vgradnje geomrež ter začasno varovanje izkopa s samouvrtalnimi pasivnimi sidri IBO ter brizganim betonom. Nasip je ojačan z geomrežami FORTRAC 110/50-20 T katerih projektna natezna trdnost z upoštevanjem vseh redukcijskih faktorjev znaša 39,4 kN/m. Pasivna sidra so dolga 8 m ter vgrajena na medsebojni razdalji 3,5 m. Natezna trdnost posameznega sidra znaša 250 kN. V nadaljevanju poglavja so v obliki slik prikazani rezultati posameznih izračunov za posamezno stanje in pristop. Stabilnostna analiza je bila narejena za obstoječe stanje, stanje po izkopu z varovanjem ter za končno stanje nasipa iz armiranje zemljine z upoštevanjem prometne obtežbe. Kot dodatek je bilo na koncu raziskano tudi to kaj se zgodi, če v zadnjo fazo dodamo vodo. Rezultat stabilnostne analize je faktor varnosti večji od 1, kar pomeni da je konstrukcija stabilna. Zadnje poglavje magistrskega dela predstavlja primerjavo med vrednostmi faktorja varnosti ter obliko porušnice. Razlika med vrednostmi faktorja varnosti med pristopoma je minimalna.
Secondary keywords:	grabeništvo;metoda končnih elementov;MKE;metoda mejnih ravovesij;nasipi iz armirane zemlje;stabilnost področja;nosilnost temeljnih tal;geosintetiki;geomreže;strižne deformacije;magistrske naloge;
URN:	URN:SI:UM:
Type (COBISS):	Master's thesis/paper
Thesis comment:	Univ. v Mariboru, Fak. za gradbeništvo, prometno inženirstvo in arhitekturo, Gradbeništvo
Pages:	XII, 77 str.
ID:	10864826