3D analyse i GeoFuture med assistanse Setning, stabilitet og bæreevne

Transkript

1 3D analyse i GeoFuture med assistanse Setning, stabilitet og bæreevne SVVs Teknologidagene 2014 Hans Petter Jostad og Suzanne Lacasse, NGI

2 Innhold Motivasjon for 3D-analyser Eksempler på analyser med 3D effekter Setning og horisontalforskyvning Skråninger Wizard, din assistent Oppsummering

3 Hvorfor 3D beregninger? 1. Redusere usikkerheter i forenklede analyser Mer optimal design (sikkerhet/økonomi) 2. Dagens teknologi gjør dette mulig Raskere pc-er 3D programmer som for eksempel Plaxis og Abaqus har allerede vært benyttet i mer enn 20 år 3. GeoSuite er velegnet for integrering av slike programmer Eksempel brufundament Dataflyt fra felt/lab til lagring av resultater i 3D datamodell (Anders Rosenquist) Spesialtilpasset til problemstillinger (ikke generelle), dvs. ikke konkurrent til Plaxis; enklere brukergrensesnitt - tilpasset nasjonale problemstillinger og input data

4 Hvorfor 3D beregninger - setning? 1. Horisontal drenasje (i tillegg til vertikal) 2. Horisontaletøyninger (skjærdeformasjon/skjærmobilisering) mer avanserte jordmodeller (Jon Rønningen) 3. Lastspredning med dybden beregnes automatisk og mer riktig 4. 3D geometri Varierende lagdeling og lateral variasjon innen et lag Mer komplekse lastsituasjoner (flere fundamenter, andre geometrier etc.) Onsøy testfylling Horisontal strømning/tøyning

5 Program utvikling 1. 3D FEM program NGI 2. 3D generator for regulære nett 3. Implementering av tetrahederelement for generelle (komplekse) 3D geometrier i FEM programet 4. Interface mot en generator for generelle 3D elementnett 5. Forbedret og raskere løsningsalgoritme for 3D konsolidering 6. Implementering av 1D materialmodeller fra GS 1D Setning 7. Implementering av 3D materialmodeller (Jon Rønningen) 8. Interaksjon med 3D datamodell (Anders Rosenquist) Input av jordlag og materialparametere Post-prossesering (heat map og interpolering til 1D profiler)

6 Nettgenerator «black-box» - Få styringsparametere y max x max Område med last x min y min Randbetingelse Diskretisering Dybde gitt av jordprofil

7 Post-prosessering 2D konturplott (heat maps) utvikles i prosjektet XY plott og 1D profiler for gitte koordinater M = kpa C v = 10 m 2 /år q = 100 kpa x x CL Initialsetning (udrenert) og lateral dissipasjon

8 Eksempel Onsøy testfylling (1972) 2.3 m høy testfylling, oppbygd i løpet 14 dager 3 år med konsolidering, deretter lastet til brudd Omfattende instrumentering - Setningsprofiler - Horisontalforskyvninger - Poretrykksprofiler Plaxis 2D (Magne Mehli, NGI) Paper: «Test fill on soft plastic marine clay at Onsøy, Norway» by Toralv Berre

9 Eksempel Onsøy testfylling (1972) Målte og beregnede profiler for forskjellige tidspunkt Fyllinger er et 2D/3D setningsproblem!

10 Eksempel Bjørvika/Oslo S Kjell Karlsrud (NGI) Geoteknikkdagen 2013

11 Eksempel Bjørvika Varierende dybde til fjell Historisk oppfylling Utgravinger Endring av grunnvannstilstand Normalkonsolidert leire, w=35-45 %, OCR=1.3?

12 Samlet vurdering Setninger inntil ca kan i stor grad forklares ut fra oppfylling som er gjort opp gjennom tid. Kryp bidrar vesentlig til disse setningene. Boring for stag og peler i siste fase av Barcode utbyggingen har bidratt vesentlig til stor økning av setninger. Tilsvarende men i mindre grad for byggegrop i Schwgt D analyser kan bekrefte at volumendringene også kan forårsake store horisontale deformasjoner

13 Hvorfor FEM beregninger - stabilitet? 1. Finner automatisk kritisk bruddflate 2. Kan ta hensyn til effektivspenningsendringer (utgraving/oppfylling) 3. Kan benytte mer avanserte modeller for modellering av skjærstyrken i jorden Softening, tøyningshastighet, poretrykksstrømning, etc 4. Kan modellere 3D geometrier Progressivt brudd i kvikkleire Vestfossen (1984)

14 Program utvikling 1. Basert på 3D setning 2. Interface med datafiler fra GS Stabilitet 3. Inkludering av modell for SF beregning (c-phi reduksjon) 4. Inkludering av modeller for drenert og udrenert skjærstyrke 5. Interpolering av skjærstyrkeprofiler tilsvarende GS Stabilitet 6. 3D basert på interpolering mellom 2D snitt eller 3D datamodell

15 Eksempel 2D skråningsstabilitet s u = 10 kpa b = 10 m / 5 m = 2 d = D / H = 20 m / 5 m = 4 γ = 20 kn/m 3 γ w = 10 kn/m 3 H w = 5 m H t = 0 q = 0 P d = ( )/1.0 = 50 kpa N 0 = 5.8 γ m = kpa / 50 kpa = 1.16 SF = γ m = 1.14

16 3D Analyser 3D effekt W b=2,d=1 b=2,d=0 1 b H D 3D effect, F3D b=1,d=0 b=3,d=1 1.2 Varierende geometri og skjærstyrke Inverse width ratio, H/W Elliptisk bruddflate

17 3D analyse i GeoFuture med assistanse

18 GeoFuture Objectives of WIZARD Quick and simple access to information/assistance Minimise literature/reference search Practical assistance on technical aspects Tips and suggestions, e.g. Selection of calculation model Sampling disturbance Tool for selection of parameters Comparison of values Assessment with correlations

19 GeoFuture Characteristics of WIZARD Web-based Linked within the application software Forum for comments from users Responsible editor/custodian Produce/updates assistance documents Publishes on web

20 Wizard Settlement calculation

21 INTRO files SETTLEMENT SETTLEMENT CALCULATION PROCEDURE FOR CALCULATION REQUIRED PARAMETERS SELECTION OF SOIL PARAMETERS MOTIVATION FOR 3D ANALYSIS ASSIST. FOR SELECTION 1D/2D/3D DESIGN REQUIREMENTS EUROCODE OTHER GUIDELINES/CODES REFERENCES STABILITY STABILITY CALCULATION LE ANALYSIS WITH BEAST FEM ANALYSIS WITH BIFURC PROCEDURE FOR CALCULATION REQUIRED PARAMETERS SELECTION OF SOIL PARAMETERS MOTIVATION FOR 3D ANALYSIS ASSIST. FOR SELECTION 1D/2D/3D DESIGN REQUIREMENTS EUROCODE Limit state Ultimate limit state Serviceability limit state HÅNDBOK 016 NVE REFERENCES

22 PARAM SETT/PARAM STAB PARAM-FILE assistance contains three levels Level 1: Parameters needed for the calculation Level 2: Values for parameters, available correlations Level 3: Additional considerations, e.g. the effect of sample disturbance and the determination of the preconsolidation stress. For each module, the PARAM-files are structured in a parallel manner

23 PARAM SETT Level 1

24 PARAM SETT Level 2 Values of k

25 GeoFuture WIZARD - soil parameters Influence of I p on N kt N kt vs OCR

26 PARAM SETT Level 2

27 Settlement calculation model

28 Stress distribution

29 GeoFuture WIZARD - example of help text Sample quality The most common problems associated to sample disturbance when interpreting results from oedometer tests include (Fig. 1): Difficulties in estimating p' c Overestimate in tangent modulus (M) above p' c Underestimate reloading modulus Permeability to be corrected for vol up to p' 0 Consolidation coefficient (c v ) needs to be corrected for errors in modulus + permeability Sample quality evaluation: vol during reconsolidation to p' 0 is a good indicator. Scale for sample quality (Table 1): Figure 1: Typical oedometer response Table 1: Quality index from Δe/e 0 (Lunne et al 1997) Δe/e 0 OCR Very good to excellent Good to fair Poor Very poor 1-2 < > < > < >0.07 Quality

30 GeoFuture WIZARD - example of help text Control data Automatic The program sets time increments Time unless Specify values is checked increment Specify increments Time increments are specified manually by the user Check box to set the control parameters manually. Otherwise, parameters are set automatically. Maximum time step Maximum size of time step at automatic time increment Specify values Minimum pore pressure change Target minimum change in pore pressure after each time increment Maximum pore pressure change step Target maximum change in pore pressure after each time increment step

31 GeoFuture WIZARD - example of help text Control data Max Maximum number of iterations. Iteration is necessary to iterations handle the nonlinear behavior of the soil Interpolation factor during one time increment step: 0.0 Time integration coefficient : Explicit. Pore pressure and effective stress at time t Time are basis for equations over time step Δt integration 1.0: Implicit. Pore pressure and effective stress at time coefficient t+δt are basis for eq. over time step Δt Time integration coefficient = 1.0 is numerically more stable than lower values Tolerance factor Tolerance factor is used to control the iteration in each time step (recommended value is ) etc

32 GeoFuture WIZARD Future plans Linear regression (0 order) Short cut estimates Independent soil variables Interactive correlations for comparing w/ earlier results and selecting the analysis parameters. Statistical analysis of parameters Parameter Establish a soil profile (divide in layers, filter outliers) Regression analysis Geostatistics Linear regression (1 st order) NonLinear regression (2 nd order) Kriging Constant variance w/depth Non-constant variance w/depth Constant variance w/depth Non-constant variance w/depth Simple kriging Assistance for selection of soil profiles Transformation model First order, second moment Ordinary kriging S u corrected from total cone resistance S u from effective cone resistance S u from excess pore pressure

33 In summary 3D effekter kan være viktige Redusere usikkerheter i analyser Dagens teknologi gjør dette mulig Nødvendig for komplekse problemer, 3D geometrier GeoSuite integrerer nå en 3D beregningsmotor (kan også 1D og 2D) For eksempel, 3D stabilitet: Finner automatisk kritisk bruddflate Kan ta hensyn til effektivspenningsendringer (utgraving/oppfylling) Kan benytte avanserte modeller for modellering av skjærstyrken Softening, kryp, poretrykksstrømning, etc GeoSuite kan nå tilby en assistent for setning og stabilitet (og bæreevne snart). Med tid kan du t.o.m. forbedre den med din erfaring og tilleggs informasjon.

34 Takk for oppmerksomheten!