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Título: A coupled finite-discrete element framework for soil- structure interaction analysis
Autores: Tran, Viet
Fecha: 2014
Publicador: McGill University - MCGILL
Fuente:
Tipo: Electronic Thesis or Dissertation
Tema: Engineering - Civil
Descripción: Modeling soil-structure interaction problems involving granular material and large deformation is a challenging task particularly for geotechnical engineering. Using standard finite element methods has been found to be inefficient to model soil-structure interaction at the soil particle scale. Soil-structure interactions such as erosion void around tunnel lining and geogrid reinforcement may not be properly captured using the finite element method. The discrete element method, on the other hand, has proven its efficiency in modeling the behavior of granular soil domains at the microscopic scale. It is however not suitable to model structural elements using this numerical method due to the continuum behavior of the structure. The coupling of the finite and discrete element methods, which takes advantages of the two methods, is a promising approach to model such geotechnical engineering problems. This thesis is devoted to develop a coupled Finite-Discrete element framework for soil-structure interaction analysis and validate the developed algorithm by comparing numerical simulations with experimental data. The research results have been published in refereed journals and conference proceedings amounting to 3 journal papers and 5 conference papers. These papers are compiled to produce 7 chapters and 1 appendix in this manuscript-based thesis. Experimental and discrete element investigations of earth pressure acting on cylindrical shaft are first presented along with a new gravitational packing technique that has been used to replicate the real sample packing process. Results from the numerical simulation and experimental work are then compared. The efficiency of the discrete element method in solving problems involving granular material and large deformation is demonstrated. The rest of the thesis is devoted to describe the development of a three-dimensional coupled Finite-Discrete element method and its implementations. To analyze a given soil-structure interaction problem using the developed coupled Finite-Discrete element framework, the structure is modeled using finite elements while the soil is modeled using discrete elements. Interface elements are used to ensure the force transmission between the finite and discrete element domains. Explicit time integration is used in both the finite and discrete element calculations. Different damping schemes are applied to each domain to relax the system. A multiple-time-step scheme is applied to optimize the computational cost. The developed coupled Finite-Discrete element framework is used to investigate selected soil-geogrid interaction problems including pullout test of biaxial geogrid embedded in granular material, strip footing over geogrid reinforced sand and geogrid-reinforced fill over strong formation containing void. The results of the numerical analysis are compared with experimental data. Micro-mechanical behavior of the soil domain is analyzed and displacements, stresses and strains developing in the geogrid are investigated. Conclusions and recommendations are made regarding the three-dimensional soil-structure interaction using the discrete element and coupled Finite-Discrete element methods.
La modélisation de l'interaction sol-structure présent plusieurs défis, particulièrement dans les sols granulaires et pour des grandes déformations. L'analyse par éléments finis est souvent utilisée mais celle-ci ne permet pas une modélisation à l'échelle des particules de sol. Ce dernier type d'analyse est requis pour la modélisation de problèmes d'interaction complexe tels que ceux de l'érosion des sols autour de l'enveloppe d'un tunnel ou du comportement d'une membrane géotextile. La méthode de modélisation par éléments discrets est un moyen efficace et reconnu pour modéliser le comportement granulaire des sols au niveau microscopique. Par contre, cette méthode n'est pas appropriée pour modéliser les structures solides et continues. Le couplage entre les éléments finis et les éléments discrets est une technique prometteuse qui combine les avantages des deux méthodes. Cette thèse est consacrée au développement de l'analyse couplée Éléments finis-Éléments discrets pour l'interaction sol-structure et à la validation des algorithmes par une comparaison des simulations numériques avec des résultats expérimentaux. Les résultats de la recherche ont été publiés dans les journaux avec comité de lecture (3 articles) m et dans des comptes-rendus de conférence (5 articles). La thèse est soumise sous la forme d'une thèse avec manuscrits et comporte 7 chapitres principaux et une annexe. Le premier cas étudié est celui de la pression des sols sur un cylindre. Un nouvel algorithme de placement des particules par gravité et de compaction est proposé afin de mieux représenter le processus de préparation des échantillons en laboratoire. Les résultats de simulation sont comparés et validés par rapport aux résultats expérimentaux et démontrent l'applicabilité de la procédure pour l'analyse du comportement des matériaux granulaires pour des grandes déformations. Les chapitres suivants sont dédiés au développement d'analyses ridimensionnelles couplées et à leur validation. Les éléments structuraux sont modélisés par éléments finis tandis que le sol est modélisé par des éléments discrets. Des éléments spéciaux sont développés pour effectuer le couplage entre les deux domaines. Une intégration numérique du type explicite est utilisée pour tous les calculs dans le domaine temporel. Différents types d'amortissement sont utilisés pour chacun des domaines (finis ou discrets) afin de stabiliser le système. Une approche avec intervalles de temps multiple est utilisée afin d'optimiser le temps de calcul. La procédure est utilisée afin d'analyser la résistance à l'arrachement d'une membrane géotextile incorporée dans un milieu granulaire, et le comportement d'une semelle de fondation reposant sur un dépôt de sable renforcé avec des géotextiles au-dessus d'une cavité profonde. Les résultats des simulations numériques sont comparés aux données expérimentales. Les déplacements, les contraintes et les déformations dans le géotextile et le sol sont analysés. Des conclusions et des recommandations sont formulées pour l'analyse tridimensionnelle couplée de l'interaction sol-structure.
Idioma: en