Promotie Y. Li: slopes

24 februari 2017 | 10:00
plaats: Aula, TU Delft
door Webredactie

Reliability of long heterogeneous slopes in 3D: Model performance and conditional simulation. Promotor: Prof.dr. M.A. Hicks (CiTG).

Rivier- en zeedijken en andere infrastructurele taluds hebben vaak een uniforme dwarsdoorsnede en zijn langgerekt in de richting haaks op deze doorsnede. Deze langgerekte taluds kennen over het algemeen ruimtelijke variatie van grondeigenschappen, ofwel heterogeniteit van de grond. Hellinginstabiliteit van deze taluds kan grote economische en sociale gevolgen hebben. Het is om die reden van bijzonder belang dat ingenieurs de invloed van ruimtelijke variabiliteit van de grond op de stabiliteit en bezwijkingsmechanismes van deze langgerekte werken onderzoeken. Een rivierdijk bijvoorbeeld, kan gezien worden als een aaneenschakeling van compartimenten, waarbij het bezwijken van één compartiment leidt tot het falen van de volledige waterkering, met mogelijk verlies van mensenlevens, beschadiging van cruciale infrastructuur en substantiële economische schade aan directe en aangrenzende regio’s tot gevolg. Ten einde het gewenste niveau van waterkerende functie te kunnen garanderen, vereisen toetsingsnormen in Nederland probabilistische ontwerpmethodes. Mogelijke probabilistische ontwerpmethodeszijnCalle’s2.5Dmethodeofde3DmethodevanVanmarcke. Deze(semi-)analytische methodes zijn echter gebaseerd op een aantal vereenvoudigende aannames, met name die van een cilindrisch bezwijkingsmechanisme van eindige lengte.

De random eindige elementen methode (RFEM) wordt de laatste jaren meer en meer gebruikt voor het doorrekenen van ontwerpen van langgerekte taluds vanwege de conceptueel eenvoudige implementatie en het vermogen de effecten van variabiliteit in de grond volledig in rekening te brengen. Als simulatiemethode kan RFEM toegepast worden op grote en gecompliceerde systemen, zonder de conceptuele vereenvoudigingen die nodig zijn voor analytische methodes. Dit resulteert in een realistischer model van het te analyseren systeem en zodanig kan RFEM gebruikt worden als referentie in het onderzoek naar de prestaties van eenvoudigere methoden. Het grootste nadeel is echter dat RFEM veel rekenkracht kan eisen.

De hoofdmoot van dit proefschrift is gewijd aan vergelijkingsstudies tussen de drie eerdergenoemde modellen, voor een reeks statistieken van de ruimtelijke verdeling van schuifsterkte van de grond. Deze vergelijkingsstudies zijn gedaan met betrekking op de statistische verdeling van de berekende veiligheidsfactoren, de betrouwbaarheid van de methode en de verdeling van bezwijkingslengte en–volume. Met name de onderlinge vergelijking tussen de prestaties van RFEM en het Vanmarcke model is onderzocht. Dit is gedaan voor relatief korte taluds (met een lengte-hoogte verhouding van 10), waarvoor het zogenaamde lengte-effect verwaarloosd kan worden. Deze methodes blijken vergelijkbare resultaten te geven voor horizontale correlatielengtes die groot zijn ten opzichte van de taludlengte, doordat de berekende glijvlakken in RFEM bij benadering cilindrisch zijn en daarbij de volledige lengte van het talud beslaan. Zodoende komen ze overeen met de aannames in de Vanmarcke methode. Voor kleinere correlatielengtes (kleiner dan de taludlengte) kunnen beide modellen sterk afwijkende resultaten geven, waarbij RFEM een veel zwakker gedrag voorspelt dan het Vanmarcke model. Dit blijkt te verklaren door het verschil in bezwijkingslengte en de invloed van de einden van het cilindrisch schuiflichaam in het simpelere model.

Een tweede vergelijkende studie tussen de drie modellen gaat in op het zogenoemde lengte-effect (de toenemende kans op bezwijken bij een toenemende taludlengte) voor zeer lange taluds (tot 100 keer de taludhoogte). Hierbij wordt gebruik gemaakt van een HPC strategie, waarvan de ontwikkeling staat beschreven in dit proefschrift. In tegenstellig tot de ‘level-crossing approach’ die gebruikt wordt in de twee (semi-)analytische modellen, wordt voor RFEM een eenvoudige machtsvergelijking gebruikt. Deze machtsvergelijking is gevalideerd aan de hand van de waarschijnlijkheid meerdere onafhankelijke afschuivingen te vinden over de lengte van het talud. Simulaties tonen aan dat RFEM leidt tot de kleinste betrouwbaarheidsindices voor de reeks aan onderzochte cases. De resultaten van de Vanmarcke en Calle modellen blijken de resultaten van RFEM echter te benaderen voor grotere horizontale correlatielengtes. Discrete bezwijklengtes zijnbepaaldinRFEMenvergelekenmetdebezwijklengtesdievoorspeldwordendoorde eenvoudigere modellen om zo een rationele verklaring te geven voor de waargenomen verschillen. Tevens is de α-factor zoals deze in Nederland in de praktijk gebruikt wordt voor Calle’s model, grondig onderzocht met behulp van random velden voor een variatie aan karakteristieke waarden voor ruimtelijke variabiliteit. Dit maak een uitgebreide gevoeligheidsanalyse mogelijk.

Als referentie voor de stochastische methodes in de vergelijkingsstudies is ongeconditioneerde RFEM gebruikt. In het laatste deel van dit proefschrift is ook geconditioneerde RFEM geïmplementeerd. De geconditioneerde RFEM is vervolgens toegepast in twee voorbeelden van geotechnische problemen. Het eerste voorbeeld gaat in op het opzetten van een plan voor efficiënt bodemonderzoek (de optimalisatie van locatie en intensiteit van metingen) in een driedimensionaal grondvolume. Een efficiëntie-index voor individuele metingen is gedefinieerd en gebruikt als indicator voor de efficiëntie van het plan voor een verkennend bodemonderzoek. De vergelijking van de waarschijnlijkheidsverdeling van het taludgedrag met en zonder het conditioneren aan de hand van de sonderingsdata heeft een significante afname van onzekerheid als gevolg van conditioneren aangetoond. Een optimale plaatsing van veldmetingen voor het ontwerp van een talud is bepaald, voor verkennend bodemonderzoek bestaand uit zowel één als twee meetrondes. Tevens is, onder aanname van een exponentiele correlatiefunctie, de optimale meetdichtheid bepaald op een half keer de horizontale correlatielengte. Het tweede voorbeeld is gewijd aan het 3D modelleren van een ontgraven talud. In dit voorbeeld blijkt een steiler talud voldoende betrouwbaar te zijn (volgens Eurocode 7) wanneer geconditioneerde random fields worden gebruikt. Dit in tegenstelling tot ongeconditioneerde simulaties, waar de onzekerheid groter is ten opzichte van geconditioneerde simulaties door het niet optimaal benutten van beschikbare data. Hiermee is het mogelijke voordeel van het gebruik van geconditioneerde simulaties in een kosten-efficiënt geotechnisch ontwerp gedemonstreerd.

Meer informatie?
Voor inzage in proefschriften van de promovendi kunt u kijken in de TU Delft Repository, de digitale vindplaats van openbare publicaties van de TU Delft. Proefschriften zullen binnen een paar weken na de desbetreffende promotie in de Repository te vinden zijn.

© 2017 TU Delft

Metamenu