Assessment of porosity-permeability variation on the response of sandy soils via hypoplasticity model

Abstract

Suya doygun kumların hidromekanik davranışları zeminin gözeneklilik yapısı ve geçirimlilik özelliklerinden büyük ölçüde etkilenmektedir. Yükleme ve boşaltmanın birbirini takip ettiği deformasyon eğrilerinde kumlar sürekli olarak yumuşama ve sıkışmaya maruz kalırlar. Maruz kalınan yükler sonucu değişen boşluk hacimleri zeminin geçirgenlik katsayısını değiştirmektedir. Bahsedilen gerçek yaşam koşullarını doğru bir şekilde simüle etmek için, yeni değişkenlerin ve kavramların kullanıldığı gelişmiş nümerik modeller ve ekipmanlar kullanılmalıdır.Bu çalışmada, suya doygun kumlu zeminlerin tekrarlı ve dinamik yüklemeler altındaki davranışı nümerik ve deneysel yöntemler kullanılarak analiz edilmiştir. Üç boyutlu sonlu elemanlar analizlerinde, aşırı boşluk suyu basıncı değişimleri iki fazlı modele dayanan üç boyutlu elemanlar yardımıyla incelenmiştir. Buna ek olarak zemin davranışının modellenmesi için genişletilmiş hipoplastik bünye modeli kullanılmıştır. Geçirimliliğin gözenekliliğe bağlı değişimi Kozeny-Carman ilişkisinin modele tanımlanmasıyla elde edilmiştir. Gerçekleştirilen deneyler ile birlikte, literatürde mevcut deneysel sonuçlarda kullanılarak gözeneklilik-geçirimlilik arasındaki ilişkinin kumlu zeminlerin mekanik davranışı üzerindeki etkisi, deformasyon ve boşluk suyu basınçları karşılaştırılarak incelenmiştir. Suya doygun kumlu zeminlerin tekrarlı ve dinamik yük altındaki davranışlarının gerçekçi olarak modellenmesi sırasında gözeneklilik-geçirimlilik değişimlerinin göz önünde bulundurulması gerekliliği değerlendirilmiştir.Bu çalışmada hipoplastik bünye modelinin on üç parametresinin belirlenmesi için gerekli laboratuvar deneyleri ve yöntemler sistematik bir şekilde açıklanmıştır. Kumlu bir zeminin model parametreleri belirlenmiş ve literatürde aynı zemin tipi için önerilen malzeme parametre değer aralıklarıyla karşılaştırılmıştır. Ayrıca dinamik yük etkisi altındaki zeminlerin modellenmesinde kullanılmış olan çeşitli kumların hipoplastik bünye model parametreleri de sunulmaktadır. Bu çalışmanın, geoteknik mühendisliğinde sonlu elemanlar yöntemi ile malzeme davranışının modellenmesi üzerine çalışan araştırmacılar için katkı sağlayacağı düşünülmektedir.

Hydro-mechanical characteristic of the saturated sands is highly influenced by their porosity and permeability. During loading, unloading and reloading compaction of sands, loosening and re-compaction take place, which leads to changes in pore volume and permeability. In order to accurately simulate these real-life conditions, new variables and phenomena should be investigated using sophisticated numerical tools and equipment.In this study, the behavior of water saturated sands subjected to cyclic and dynamic loading is analyzed numerically and experimentally. For the finite element analyses, a three-dimensional fully coupled two-phase finite element is developed and implemented on the basis of a two-phase model in order to consider the pore water pressure development in saturated sands. In addition, an extended hypoplastic constitutive model is used to describe the material behavior of sandy soils. The porosity-permeability variation is taken into account by implementation of Kozeny-Carman relationship. Using the experimental test results both performed in laboratory and documented in the literature, the influence of porosity-permeability variation on the mechanical behavior of sandy soils is investigated by comparing the strain and pore pressure accumulations. The necessity of the consideration of porosity-permeability variation for realistic modeling of the cyclic and dynamic behavior of saturated sandy soils is assessed.The laboratory experiments and numerical methods required to determine thirteen parameters of the hypoplastic constitutive model are explained systematically. The hypoplastic material parameters of a sandy soil is determined and then compared with the recommended parameters available in the literature for the same type of soil. In addition, hypoplastic model parameters of various sands that are commonly used in the modeling of the soil under dynamic loading are presented. This thesis will contribute to researchers working on the numerical modeling of material behavior using finite element method in geotechnical engineering.