Modeling of shear strength behavior at soil-geosynthetic interface by discrete element method
Zemin-geosentetik arayüzündeki kayma mukavemeti davranışının ayrık elemanlar yöntemi (DEM)
- Tez No: 909090
- Danışmanlar: DOÇ. DR. HASAN FIRAT PULAT
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İzmir Katip Çelebi Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Geoteknik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 70
Özet
Teknoloji ve yüksek performansa sahip bilgisayarların gelişmesi, geoteknik mühendisliği gibi bilim ve mühendislik alanlarında karmaşık simülasyonları ve ileri düzeyde analizleri mümkün kılmaktadır. Geoteknik mühendisliğinde, yapının tasarımı sürecinde ara yüzey ve kesme dayanımı davranışının anlaşılması, hafriyat sahaları, istinat duvarları, tüneller, temeller, göletler ve barajlar gibi yapılar için büyük öneme sahiptir. Bu parametreler, son yıllarda yenilikçi bir yöntem olarak gelişmeye devam eden, granüler malzemelerin mekanik davranışlarının incelenebildiği ve laboratuvar - saha deneylerine bir alternatif olarak kabul edilen ayrık elemanlar yöntemi (DEM) ile tanımlanabilmektedir. Granüler zemin ile geotekstiller, geomembranlar, geogridler ve geonetler gibi geosentetik (GS) malzemelerin arasındaki ara yüzey davranışlarının incelenmesi 1960'lardan günümüze ulaşmaktadır. Geosentetikler, zemin kesitlerini ayırma ve güçlendirme, erozyonu önleme ve etkili drenaj sağlama yetenekleri nedeniyle tercih edilmektedir. Ancak, geosentetiklerin işlevlerini etkili bir şekilde yerine getirebilmeleri için temas ettikleri yüzeylerle olan davranışlarının detaylı bir şekilde incelenmesi gerekmektedir. Analiz ve simülasyon bölümü iki aşamadan oluşmaktadır. İlk aşamada granüler zeminin ara yüzey davranışı irdelenmiştir. İlk olarak, kum daneleri, yoğunluk ve kesme dayanımı arasındaki etkileşim incelenerek optimum kum dane sayısı belirlenmeye çalışılmıştır. İkinci olarak, ayrık elemanlar yöntemi (DEM) kullanılarak kesme hızı parametrelerinin kesme dayanımı üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Son olarak, statik sürtünme, yuvarlanma sürtünmesi ve geri sekme katsayıları gibi temas sürtünme özelliklerinin kesme davranışı üzerindeki etkisi değerlendirilmiştir. İkinci aşamada ise PVC/HDPE geomembranlar (GMs) ile granüler zemin arasındaki ara yüzey kayma dayanımmı davranışı araştırılmıştır. Geoteknik mühendisliğinde yaygın olarak kullanılan geomembranlar genellikle 0,5 mm ile 3 mm arasında kalınlıklara sahiptir. Tüm numuneler, 0,5, 1 ve 2 mm/s kesme hızlarında, 12,5, 25 ve 50 kPa normal gerilmeler altında test edilmiştir. Ara yüzey davranışı, 52 mm yarıçapa ve 75 mm yüksekliğe sahip bir kesme kutusu kullanılarak DEM ile gerçekleştirilen silindirik bir direk kesme testi (DST) ile incelenmiştir. EDEM® yazılımındaki DST modeli, gerçek doğrudan kesme testi mekanizmasının karmaşıklıklarını doğru bir şekilde simüle etmek ve DEM ilkeleriyle uyum sağlamak amacıyla yenilikçi bir şekilde geliştirilmiştir. Birinci aşama sonuçları, kesme hızının 0,5 mm/s'den 1 mm/s'ye ve ardından 2 mm/s'ye artırılmasının içsel sürtünme açısını sırasıyla %9 ve %11 oranında artırdığını göstermiştir. Ayrıca, partikül sayısının 40.000'den 42.500'e çıkarılması içsel sürtünme açısını %3,2 ve 42.500'den 45.000'e çıkarılması %4,67 oranında artırmaktadır. Granüler zeminlerde optimum kesme davranışının, orta seviyede statik sürtünme (0,5–0,75), yuvarlanma sürtünmesi (0,5–0,6) ve geri sekme (0,05–0,06) katsayılarıyla sağlandığı ve gerçek koşulları yansıtmak için doğru parametre kalibrasyonunun önem arz ettiği belirlenmiştir. Bununla birlikte, DEM kullanılarak elde edilen DST sonuçları, 1,5 mm kalınlığındaki PVC-zemin ara yüzü için sürtünme açısının, 0,5, 1 ve 2 mm/s kesme hızlarında sırasıyla %49, %53,6 ve %58,2, 1,5 mm HDPE-zemin ara yüzü için ise sırasıyla %50,92, %54,49 ve %58,95 oranında granüler zemine kıyasla daha düşük olduğunu göstermektedir. 3,0 mm kalınlığındaki PVC-zemin ara yüzü için bu oranlar sırasıyla %47,7, %51,2 ve %55,8, 3,0 mm HDPE-zemin ara yüzü için ise %42,30, %46,84 ve %48,04'tür. Ayrıca, ara yüz sonuçlarının 1/3ϕ < δ < 2/3ϕ aralığında olduğu, yani zemin ile geomembranlar arasında ASTM D5321 standardıyla uyumlu olarak orta düzeyde bir etkileşim olduğu tespit edilmiştir.
Özet (Çeviri)
With the development of technology and high-tech computers, advanced computing now enables complex simulations and analyses for the science and engineering fields, especially in geotechnical engineering, which has also been affected by this advancement, where designing the geotechnical structure and understanding the shear strength for interface behavior are key parameters for structures such as landfills, retaining walls, tunnels, foundations, ponds, and dams. These parameters can be defined using innovative methods, such as the discrete element method (DEM), which, although not a new method, has recently played an important role as an innovative method for studying the mechanical behaviour of granular materials and is considered an alternative to laboratory and field tests. Interface behaviour studies between granular soil and solid structural components like geosynthetics (GSs), including geotextiles, geomembranes, geogrids, and geonets, have been considered essential in the geotechnical field since the 1960s. Where GSs preferred for their ability to separate and reinforce soil formations, prevent erosion, and facilitate effective drainage. Their behaviour with the surfaces they interact with should be examined in detail for geosynthetics to perform their functions effectively. The analysis and simulation section consists of two phases, where in the first phase the interface of granular soil has been evaluated. Firstly, the optimum number of sand particles is tried to be determined by examining the interaction between the number of sand particles, density and shear strength. Secondly, it explores the effect of shear rate on the shear strength parameters using DEM. Lastly, the study evaluates the impact of contact friction properties on shear behaviour, including static friction, rolling friction, and restitution coefficients. In the second stage, investigate the interface shear behaviour between PVC/HDPE geomembrane (GMs) and granular soil, where GMs, commonly used in geotechnical engineering, typically range in thickness from 0.5 mm to 3 mm. All the samples were tested under 12.5, 25, and 50 kPa normal stresses with various shear rates of 0.5, 1, and 2 mm/sec. The interface behaviour was studied with a cylindrical direct shear test using a DEM with a shear box 52 mm in radius and 75 mm in height. The DST model in EDEM® has been innovatively developed to accurately simulate the complexities of the actual DST mechanism while aligning with DEM principles. The results indicated from the first phase that increasing the shear rate from 0.5 mm/sec to 1 mm/sec and then 2 mm/sec raises the internal friction angle respectively by 9% and 11%. Additionally, increasing the number of particles from 40,000 to 42,500 raises the internal friction angle by 3.2%, and from 42,500 to 45,000 by 4.67%, though it affects the accuracy of the results. It was found that optimal shear behavior in granular soils is achieved with moderate static friction (0.5–0.75), rolling friction (0.5–0.6), and restitution (0.05–0.06) coefficients, underscoring the importance of accurate parameter calibration to reflect real conditions. However, The DST results using DEM show that the interface friction angle for the 1.5 mm thick PVC and-Soil is approximately 49%, 53.6%, and 58.2% and for 1.5mm HDPE is 50.92%, 54.49%, and 58.95% lower than that of granular soil at shear rates of 0.5, 1, and 2 mm/sec, respectively, while for the 3.0 mm thick PVC-soil, it is approximately 47.7%, 51.2%, and 55.8% and for 3.0 mm HDPE is 42.30%, 46.84%, and 48.04% lower at the same shear rates. Additionally, the interface results fall within the range 1/3ϕ< δ< 2/3ϕ, which means a moderate level of interaction between the soil and the geomembranes, consistent with ASTM D5321.
Benzer Tezler
- Determination and modeling of shear strength behavior of soil – geosynthetic interface
Zemin – geosentetik arayüzey kayma dayanımı davranışının belirlenmesi ve modellenmesi
İNCİ ERTAM
Doktora
İngilizce
2023
İnşaat Mühendisliğiİzmir Katip Çelebi Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HASAN FIRAT PULAT
- Kum-EPS ara yüzey etkileşiminin deneysel ve görüntü işleme yöntemleri ile incelenmesi
Investigation of Sand-EPS interface interaction by experimental and image processing methods
AHMET SERDAR KÖŞELİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
İnşaat MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAVVANUR KILIÇ
- Dinamik özellikleri belirlenen sıkıştırılmış killi kalın bir zemin tabakasının tek boyutlu sismik yer tepki analizleri
1D ground response analyses of compacted soil with dynamic properties measured in laboratory
CEREN AYDIN
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. RECEP İYİSAN
- Farklı türde karışım zeminlerin mekanik davranışlarının kritik durum zemin mekaniği teorisi ilkeleri ile ele alınması
Evaluation of mechanical behavior of different mixed soils with the principles of critical state soil mechanics theory
MOHAMMADKAZEM MAHMOUDI MOGHADDAM
Doktora
Türkçe
2020
İnşaat MühendisliğiEge Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ DEVRİM ŞÜFA ERDOĞAN
- Oyuk genişlemesi probleminin sonlu elemanlar yöntemi ile iki boyutlu sayısal analizi
Two dimensional numerical analysis of cavity expanison problem with finite element methods
EMİN ŞENGÜN
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. METE İNCECİK
DOÇ. DR. MEHMET BERİLGEN