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Título: The development of a combined finite-discrete element model for quasistatic geotechnical engineering applications
Autores: Dang, Hoang Kien
Fecha: 2011
Publicador: McGill University - MCGILL
Fuente:
Tipo: Electronic Thesis or Dissertation
Tema: Engineering - Civil
Descripción: The mechanics of soil erosion around buried structures is a challenging soil-structure interaction problem. It involves progressive particle movement and interaction with an existing subsurface structure. Using standard finite element method (FEM) and continuum mechanics to simulate the soil erosion process (that involves large soil displacement and discontinuities in the soil matrix) has proven to be inefficient. Continuum methods do not allow for the realistic simulation of the gradual soil loss into the structure. Discrete element method (DEM), on the other hand, has proven to be suitable for such analysis, however, it involves large amount of calculation to simulate a real problem. This thesis is devoted to develop an efficient method that allows the analysis of the above problem considering both the micro and macro scale features of the problem. The research results have been published in refereed journals and conference proceedings amounting to 4 journal papers and 2 conference papers. These papers are compiled to produce 7 chapters and 2 appendices in this manuscript-based thesis. The investigation of the effects of erosion voids around existing tunnels is first conducted using conventional finite element method (FEM) to illustrate the limitation of the FEM in modelling problems involving large deformation and discontinuities. The rest of the thesis is devoted to describe the development of the combined finite-discrete element method. A simple and effective algorithm to generate realistic initial soil conditions required for the discrete element method has been developed. Using the developed algorithm, the calibration procedure needed to determine the properties of the discrete elements is only necessary for a small initial sample (e.g. grain size distribution, internal friction angle). The final packing is then generated based on the initial sample exhibiting the same macro behaviour. In the combined method, the soil in the area experiencing large displacements or discontinuities is modelled using discrete elements whereas the rest is modelled using finite elements. The integration scheme used in the FEM has been investigated and modified to suit the combined finite-discrete element. Dynamic relaxation technique with automatic time step control has been developed to optimize the performance of the scheme. Finally, interface has been introduced to bridge the finite and discrete element domains. By adopting a suitable damping scheme for each domain, the numerical stability of the combined method has been maintained. The developed method has been calibrated using benchmark problems and used to investigate the effects of particle loss induced around an existing tunnel lining on the stress distribution in the lining structure. Conclusions and recommendations are made regarding the three dimensional effect of soil deterioration on the structural integrity of existing tunnels in soft ground.
La mécanique de l'érosion aux alentours de structures enfouies est un problème compliqué d'interaction sol-structure. Elle implique le mouvement progressif de particules et l'interaction avec la structure souterraine existante. L'utilisation de la méthode des éléments finis standard (EMF) et de la mécanique continue pour stimuler le processus d'érosion du sol (qu'implique des larges déplacements et discontinuités dans la matrice du sol) ont été démontré être inefficientes. La méthode continue ne permette pas des simulations réalistes des pertes graduelles vers la structure. Par contre, la méthode des éléments discrets (MED) a été démontré être adéquate pour ces analyses, c, pour évaluer un problème réel elle implique une grande quantité de calculs. Cette thèse est consacrée à développer une méthode qui permette l'analyse du problème précédent en considérant les aspects du problème à micro et à macro échelle. Les résultats on était publiés dans des journaux et actes de conférence totalisant 4 articles de journaux et deux articles de conférence. Ces articles sont compilés dans les 7 chapitres et 2 annexes de cette thèse manuscript-based. L'étude des effets des vides d'érosion autour de tunnels existants a été premièrement réalisée en utilisant la méthode des éléments finis conventionnelle (MEF) pour illustrer sa limitation à modéliser des problèmes impliquant des larges déformations et discontinuités. En suite, la thèse est dédiée à décrire le développement de la méthode des éléments finis-discrets combinée. Un algorithme simple et effectif pour générer des conditions initiales de sol réalistes a été développé pour la méthode des éléments discrets. En utilisant l'algorithme développé, la procédure de calibration nécessaire pour déterminer les propriétés des éléments discrets, tels que la distribution de la taille du grain ou l'angle interne de friction, est seulement nécessaire pour un petit échantillon initial. Le paquet final est alors généré en se basant sur l'échantillon initial qui manifeste le même macro-comportement. Dans la méthode combinée le sol de la zone qui expérimente des larges déplacements ou discontinuités est modélisé en utilisant des éléments discrets, tandis que le restant est modélisé en utilisant des éléments finis. Le schéma utilisé dans la MEF a été étudié et modifié pour convenir à l'élément fini-discret. Finalement, l'interface a été présenté pour connecter les domaines fini et discret. En adoptant un schéma d'amortissement convenable pour chaque domaine, la stabilité numérique de la méthode combinée a été préservée. La méthode développée a été calibrée en utilisant des problèmes modèles et utilisée pour étudier l'effet des pertes de particules causée autour d'un tunnel existant. Des conclusions et recommandations sont faites concernant les effets tridimensionnels de la détérioration du sol sur l'intégrité structurelle des tunnels existants dans le sol meuble.
Idioma: en