Geri Dön

Constitutive and numerical modeling of hydro-mechanically coupled behavior of unsaturated soils

Doygun olmayan zeminlerin hidro-mekanik bağlaşık davranışının bünyesel ve sayısal modellenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 972030
  2. Yazar: MUSTAFA MERT EYÜPGİLLER
  3. Danışmanlar: PROF. DR. MEHMET BARIŞ CAN ÜLKER
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: İnşaat Mühendisliği, Deprem Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Civil Engineering, Earthquake Engineering, Engineering Sciences
  6. Anahtar Kelimeler: Bünye denklemleri, Doymamış toprak, Elastoplastik zeminler, Mekanik, Sonlu elemanlar yöntemi, Zemin mekaniği, İki fazlı akış, Constitutive equations, Unsaturated soil, Elastoplastic soils, Mechanics, Finite element method, Soil mechanics, Two phase flow
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Deprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Deprem Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Bu tez, doygun olmayan zeminlerin karmaşık ve birbirine bağlı hidro-mekanik davranışlarının kapsamlı bir teorik ve nümerik incelemesini sunmaktadır. Yeraltı su seviyesinin üzerinde bulunan geoteknik malzemeler, katı taneler, boşluk suyu ve boşluk havasından oluşan üç fazlı bir yapıya sahip olmalarıyla karakterize edilirler. Bu yapı, zemin içerisinde matris emme olarak adlandırılan bir olgunun ortaya çıkmasına neden olur. Matris emme, zeminin mekanik özelliklerini temelden değiştirerek genellikle rijitliğini ve kayma mukavemetini artırır; ancak aynı zamanda, ıslanma durumunda ani hacim küçülmesi (çökme) gibi karmaşık davranışsal fenomenleri de beraberinde getirir. Bu tür zeminlerin davranışının doğru bir şekilde öngörülmesi, temeller, şevler, dolgular ve toprak istinat yapıları gibi çok çeşitli geoteknik yapıların güvenli ve ekonomik tasarımı için kritik bir öneme sahiptir. Bununla birlikte, hidrolik ve mekanik tepkiler arasındaki bu girift etkileşim, bünyesel modelleme ve sayısal analiz süreçleri için önemli zorluklar teşkil etmektedir. Bu araştırma, gelişmiş bir elasto-plastik bünyesel model geliştirerek ve bu modeli çeşitli yükleme koşulları altında karmaşık sınır değer problemlerini çözebilecek sağlam bir sonlu elemanlar çerçevesine uygulayarak bu zorluklara çözüm bulmayı amaçlamaktadır. Araştırma, doygun olmayan zemin mekaniğinin temel prensiplerinin derinlemesine bir literatür taraması ile başlamakta, böylece mevcut yaklaşımların bağlamını kurmakta ve sınırlılıklarını tespit etmektedir. Bu alandaki temel tartışma konularından biri, uygun bir gerilme durumunun tanımlanmasıdır. Bishop'un efektif gerilmesi gibi tek bir efektif gerilme kavramına dayalı yaklaşımlar, doygun zemin mekaniğinden pratik bir geçiş sunsa da, net gerilme ve emmenin hem hacimsel hem de devyatorik davranış üzerindeki farklı etkilerini evrensel olarak yakalamada önemli sınırlılıklara sahip olduğu kanıtlanmıştır. Bu nedenle, bu çalışma, zeminin davranışını ayrı ayrı ancak eş zamanlı olarak yönetmek için net gerilme ve matris emmeyi kullanan daha çok yönlü bağımsız gerilme değişkenleri çerçevesini benimsemektedir. Bu yaklaşım, mekanik yükleme ve nem içeriğindeki değişimlerin neden olduğu bağımsız deformasyon mekanizmalarının modellenmesi için daha sağlam bir teorik temel sağlar. Literatür taraması ayrıca, kritik durum kavramlarının doygun olmayan zeminlere uygulanmasında öncü olan Barselona Temel Modeli (BBM) gibi yerleşik elasto-plastik modelleri de incelemektedir. BBM ve türevleri, dönüştürücü nitelikte olmalarına rağmen, özellikle farklı akma mekanizmalarının etkileşimi ve pekleşme kanunlarının formülasyonu gibi konularda belirli sınırlılıklara sahiptir. Bu tez, bu temel çalışmalar üzerine inşa ederek bu spesifik alanlara yönelik yenilikçi bir model önermeyi hedeflemektedir. Bu araştırmanın birincil teorik katkısı, doygun olmayan zeminler için yeni ve tam bağlaşımlı bir hidro-mekanik bünyesel modelin formülasyonudur. Model, elasto-plastik bir çerçeve içerisinde geliştirilmiş olup, doygun olmayan zemin davranışının temel özelliklerini artırılmış bir doğrulukla yakalamak üzere tasarlanmıştır. Önemli bir yenilik, akma yüzeylerinin geliştirilmiş formülasyonunda yatmaktadır. Model, net gerilmedeki değişimler nedeniyle oluşan plastik akmayı yöneten bir Yükleme-Çökme (LC) akma yüzeyi ile kuruma sonucu oluşan plastik deformasyonu kontrol eden bir Emme Artışı (SI) akma yüzeyini içermektedir. Bu formülasyon, gerilme uzayında bu yüzeyler arasındaki kesişim sorununu, pürüzsüz ve yuvarlatılmış bir şekil benimseyerek ele alır. Bu yaklaşım, nümerik zorlukların üstesinden gelir ve net gerilme ile emmede eş zamanlı değişimleri içeren birleşik yükleme yolları altındaki akma davranışının daha gerçekçi bir temsilini sunar. Önerilen modelin temel taşlarından biri, yenilikçi bir birleşik hacimsel-devyatorik pekleşme kuralıdır. Mevcut birçok modelde pekleşme, yalnızca plastik hacimsel birim deformasyon tarafından yönlendirilir ki bu, özellikle kayma altındaki davranışlar olmak üzere, zeminin tüm davranış spektrumunu yakalamada yetersiz kalabilmektedir. Geliştirilen yeni kural, akma yüzeyinin boyutunu tanımlayan ön konsolidasyon basıncını, hem birikmiş plastik hacimsel birim deformasyona hem de birikmiş plastik devyatorik birim deformasyona bağlı kılmaktadır. Bu, modelin izotropik olmayan karmaşık gerilme yolları altında rijitlik değişimi ve mukavemet gelişimi gibi olguları daha doğru bir şekilde simüle etmesine olanak tanır ve ilk yüklemeden göçme anına kadar zemin davranışının daha sağlam bir şekilde öngörülmesini sağlar. Hidrolik ve mekanik davranış arasındaki bağlaşım, bu iki sürecin doygun olmayan zeminlerde birbirinden ayrılamaz olduğu fiziksel gerçeğini yansıtarak, modelin formülasyonunun ana temasını oluşturur. Bu çift yönlü bağlaşım, çerçeveye açıkça entegre edilmiştir. Mekanik durumun hidrolik tepki üzerindeki etkisi, emme ile su içeriği arasındaki ilişkiyi tanımlayan Zemin-Su Karakteristik Eğrisi'nin (SWCC) zeminin boşluk oranına bağlı hale getirilmesiyle yakalanır. Zemin, mekanik yük altında sıkıştıkça veya şiştikçe, boşluk yapısı değişir ve bu formülasyon, su tutma özelliklerinin de buna göre güncellenmesini sağlar. Tersine, hidrolik durumun mekanik tepki üzerindeki etkisi, modelin temel yapısına kökten yerleştirilmiştir. Matris emme ve doygunluk derecesindeki değişimler, pekleşme kanunları aracılığıyla akma yüzeyinin boyutunu ve şeklini doğrudan etkiler. Bu, modelin kuruma üzerine zemin rijitliğinde ve mukavemetinde artış ve sabit bir uygulanan yük altında ıslanma üzerine ani hacim azalması veya çökme gibi kritik davranışları doğal bir şekilde yakalamasına olanak tanır. Geliştirilen bünyesel modelin pratik mühendislik problemlerinin analizinde kullanılabilmesi için, sonlu elemanlar yöntemine dayalı sofistike bir nümerik çerçeveye entegrasyonu gerçekleştirilmiştir. Bu çerçevenin temeli, katı, sıvı ve gaz fazları için temel kütle ve momentum denge prensiplerinden türetilen, çok fazlı poroz ortamlar için geçerli olan yönetici denklemlerin titiz bir şekilde formüle edilmesine dayanmaktadır. Bu süreç, katı iskeletin yer değiştirmesini ve akışkan fazlarının boşluk basınçlarını eş zamanlı olarak çözen tam bağlaşımlı bir denklem sistemine yol açar. Geoteknik problemlerin çok çeşitli yükleme hızlarını kapsadığı gerçeği göz önünde bulundurularak, hem doğruluk hem de hesaplama verimliliği sağlamak amacıyla üç farklı nümerik formülasyon geliştirilmiştir: katı ve akışkan fazları için tüm atalet terimlerini içeren ve patlama yüklemesi gibi yüksek frekanslı olaylar için uygun olan Tam Dinamik Doygun Olmayan (FDU) formülasyon; akışkan ataletini ihmal ederken katı iskelet ataletini koruyan ve birçok sismik ve dinamik analiz için ideal olan Kısmi Dinamik Doygun Olmayan (PDU) formülasyon; ve konsolidasyon ile sızma gibi yavaş süreçlerin analizi için tüm atalet terimlerini ihmal eden Yarı-Statik Doygun Olmayan (QSU) formülasyon. Geliştirilen bağlaşık teorik ve sayısal çerçevenin geçerliliği ve sağlamlığı, kapsamlı bir dizi uygulama problemi aracılığıyla kanıtlanmıştır. Simülasyonlar, modelin tam doygun bir zemin kolonunun davranışını yeniden üretebilme yeteneğini doğrulayarak başlamıştır; konsolidasyon ve oturma tahminlerinin klasik teorilerle ve yerleşik ticari yazılımlardan elde edilen sonuçlarla eşleştiği gösterilmiştir. Çerçeve daha sonra, doygun olmayan bir zemin kolonuna tek boyutlu sızma gibi bir referans problemine uygulanmış ve sayısal sonuçların iyi bilinen deneysel verilerle mükemmel bir uyum içinde olduğu görülmüştür. Bu, modelin bağlaşımlı akış-deformasyon süreçlerini yakalama kapasitesini doğrulamıştır. Çeşitli emme ve permeabilite koşulları altında doygun olmayan zemin kolonları üzerindeki yarı-statik yüklemelerin daha ileri simülasyonları, modelin oturmaları doğru bir şekilde tahmin etme yeteneğini göstermiş ve emmenin zeminin deforme olabilirliğini kontrol etmedeki kritik rolünü vurgulamıştır. Son olarak model, birleşik pekleşme kuralının ve dinamik formülasyonların yeteneklerini sergilemek üzere monotonik ve tekrarlı yükleme koşullarına tabi tutulmuş; zamanla değişen yükler altında deformasyon, doygunluk ve boşluk suyu basıncının gelişimini etkin bir şekilde yakalamıştır. Sonuç olarak, bu tez, doygun olmayan zeminlerin analizi için kapsamlı bir çerçeveyi başarıyla geliştirmiş ve doğrulamıştır. Önerilen bünyesel model, genişletilmiş bir akma yüzeyi formülasyonu ve birleşik bir hacimsel-deviatorik pekleşme kuralı sunarak mevcut bilgi düzeyini ileriye taşımakta ve karmaşık zemin davranışının daha doğru bir şekilde temsil edilmesine olanak tanımaktadır. Bu modelin çok yönlü, çok fazlı bir sonlu elemanlar çerçevesine uygulanması, geniş bir yelpazedeki pratik geoteknik mühendislik problemlerini analiz etmek için güçlü bir araç sağlamaktadır. Bu araştırma, modelleme yeteneklerini önemli ölçüde artırsa da, gelecekteki çalışmalar için termal etkilerin, anizotropinin dahil edilmesi ve daha karmaşık, üç boyutlu sınır değer problemlerine genişletilmesi gibi alanlar mevcuttur. Nihayetinde, bu çalışma doygun olmayan zemin mekaniğinin daha derin bir şekilde anlaşılmasına katkıda bulunmakta ve mühendislik pratiği için geliştirilmiş araçlar sunmaktadır.

Özet (Çeviri)

This dissertation presents a comprehensive theoretical and numerical investigation into the complex hydro-mechanically coupled behavior of unsaturated soils. Geotechnical materials existing above the groundwater table are characterized by a three-phase composition of solid particles, pore water, and pore air, giving rise to matric suction. This suction fundamentally alters the soil's mechanical properties, typically increasing its stiffness and shear strength, but also introducing complex phenomena such as collapse upon wetting. Accurate prediction of the behavior of these soils is critical for the safe and economical design of a wide range of geotechnical structures, including foundations, slopes, embankments, and earth-retaining systems. However, the intricate interplay between the hydraulic and mechanical responses presents significant challenges for constitutive modeling and numerical analysis. This research addresses these challenges by developing an advanced elasto-plastic constitutive model and implementing it within a robust finite element framework capable of solving complex boundary value problems under various loading conditions. The investigation begins with a thorough review of the foundational principles of unsaturated soil mechanics, establishing the context and identifying the limitations of existing approaches. A central issue in the field is the definition of an appropriate stress state. While single effective stress concepts, such as Bishop's effective stress, offer a convenient extension from saturated soil mechanics, they have been shown to have significant limitations in universally capturing the distinct effects of net stress and suction on both volumetric and deviatoric behavior. Consequently, this work adopts the more versatile independent stress variable framework, utilizing net stress and matric suction to separately yet concurrently govern the unsaturated soil's response. This approach provides a more rigorous foundation for modeling the independent mechanisms of deformation induced by mechanical loading and changes in moisture content. The literature review further examines established elasto-plastic models, with a particular focus on the Barcelona Basic Model (BBM), which pioneered the application of critical state concepts to unsaturated soils. While transformative, BBM and its derivatives have certain significant limitations, particularly concerning the interaction of different yield mechanisms and the formulation of hardening laws. This dissertation aims to build upon this foundational work by proposing a new model that addresses these specific issues. The primary theoretical contribution of this research is the formulation of a novel, fully coupled hydro-mechanical constitutive model for unsaturated soils. The model is developed within an elasto-plastic framework and is designed to capture the key features of unsaturated soil behavior with enhanced accuracy. A significant innovation lies in the improved formulation of the yield surfaces. The model incorporates a Loading-Collapse (LC) yield surface, which governs plastic yielding due to changes in net stress, and a Suction Increase (SI) yield surface, which controls plastic deformation resulting from drying. The formulation addresses the issue of the intersection between these surfaces in stress space by adopting a smooth, rounded shape, which overcomes numerical difficulties and provides a more realistic representation of yielding under combined loading paths involving simultaneous changes in net stress and suction. One of the cornerstones of the proposed model is a novel combined volumetric-deviatoric hardening rule. In many existing models, hardening is driven solely by plastic volumetric strain, which can be insufficient for capturing the full spectrum of soil behavior, especially under shear stress. The new rule makes the pre-consolidation pressure, which defines the size of the yield surface, dependent on both the accumulated plastic volumetric strain and the accumulated plastic deviatoric strain. This allows the model to more accurately simulate phenomena such as stiffness degradation and strength evolution under complex, non-isotropic stress paths, providing a more robust prediction of soil response from initial loading through failure. The coupling between hydraulic and mechanical behavior is a central theme of the model's formulation, reflecting the physical reality that these two processes are inseparable in unsaturated soils. This two-way coupling is explicitly integrated into the framework. The influence of the mechanical state on the hydraulic response is captured by making the Water Retention Curve (WRC), which defines the relationship between suction and water content, dependent on void ratio of the soil. As the soil compresses or swells under mechanical load, its pore structure changes, and this formulation ensures that its water retention properties are updated accordingly. Conversely, the influence of the hydraulic state on the mechanical response is fundamentally embedded in the core of the proposed model. Changes in matric suction and degree of saturation directly affect the size and shape of the yield surface through the hardening laws. This allows the model to naturally capture critical behaviors such as the increase in soil stiffness and strength upon drying and the potential for sudden volume reduction, or collapse, upon wetting under a constant applied load. To enable the analysis of practical engineering problems, the developed constitutive model is implemented into a sophisticated numerical framework based on the finite element method. The foundation of this framework is a rigorous derivation of the governing equations for multi-phase porous media, derived from the fundamental principles of mass and momentum balance for the solid, liquid, and gas phases. This leads to a fully coupled system of equations that simultaneously solves for the displacement of the solid skeleton and the pore pressures of the fluid phases. Recognizing that geotechnical problems span a wide range of loading rates, three distinct numerical formulations were developed to provide both accuracy and computational efficiency: a Fully Dynamic Unsaturated (FDU) formulation, which includes all inertial terms associated with both the solid and fluid phases, making it suitable for high-frequency events like blast loading; a Partly Dynamic Unsaturated (PDU) formulation, which retains the solid skeleton inertia while neglecting fluid inertia, ideal for many seismic and dynamic analyses; and a Quasi-Static Unsaturated (QSU) formulation, which neglects all inertial terms for the analysis of relatively slow processes such as consolidation and infiltration. The validity and robustness of the coupled theoretical and numerical framework are demonstrated through a series of comprehensive application problems in one-dimensional soil setting. The simulations begin by verifying the model's ability to reproduce the behavior of a fully saturated soil column, showing that its predictions for consolidation and settlement match classical theories and results from an established commercial software. The framework is then applied to the benchmark problem of one-dimensional (1-D) infiltration into an unsaturated soil column, with the numerical results showing fairly good agreement with well-known experimental data, thus validating the model's capacity to capture coupled flow-deformation processes. Further simulations of quasi-static loading on unsaturated soil columns under various suction and permeability conditions demonstrate the model's ability to accurately predict settlements and highlight the critical role of suction in controlling soil deformability. Finally, the model is subjected to cyclic loading conditions to showcase the capabilities of the combined hardening rule and the dynamic formulations, effectively capturing the evolution of deformation, saturation, and pore pressure under time-varying loads. In conclusion, this dissertation successfully develops and validates a comprehensive framework for the analysis of unsaturated soils. The proposed constitutive model advances the state-of-the-art by introducing an improved yield surface formulation and a combined volumetric-deviatoric hardening law, leading to a more accurate representation of complex soil behavior. Its implementation within a versatile, multi-phase finite element framework provides a powerful tool for analyzing a wide spectrum of practical geotechnical engineering problems. While this research significantly enhances the modeling capabilities, avenues for future work include the incorporation of thermal effects, anisotropy, and extension to more complex, three-dimensional (3-D) boundary value problems. Ultimately, this work contributes to a deeper understanding of unsaturated soil mechanics and provides improved tools for engineering practice.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    588789

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

    Boşluk oranı-geçirimlilik ilişkisinin kumlu zemin davranışına etkisinin hipoplastisite modeli ile değerlendirilmesi

    HİLMİ BAYRAKTAROĞLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    İnşaat MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. NEJAN HUVAJ SARIHAN

    DOÇ. DR. HACI ERCAN TAŞAN

  2. Tez No

    998274

    Design, modeling and numerical investigations of multi-scale materials

    Çok ölçekli malzemelerin tasarımı, modellenmesi ve sayısal araştırmaları

    BEKİR ÇAĞRI SARAR

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Mühendislik BilimleriUnıversıta Deglı Studı de L Aquıla

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FRANCESCO DELL'ISOLA

  3. Tez No

    706915

    Investigation on the liquefaction potential of sand-granulated rubber mixture that used around the buried pipes: Numerical modeling and developing

    Gömülü borular etrafına yerleştirilen kum-lastik kırpıntı karışımlarında boru hareketinin incelenmesi: Nümerik modelleme ve geliştirme

    HADI VALIZADEH

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    İnşaat Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NURHAN ECEMİŞ ZEREN

  4. Tez No

    720152

    Dynamic behavior of functionally graded plates under impact loads: Mechanical characterization, impact tests, and numerical modeling

    Fonksiyonel derecelendirilmiş plakaların çarpma yükleri altında dinamik davranışları: Mekanik karakterizasyon, çarpma testleri ve sayısal modelleme

    KEMAL ARSLAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Makine MühendisliğiErciyes Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. RECEP GÜNEŞ

  5. Tez No

    400835

    Approaches to the modeling of inelasticity and failure of rubberlike materials

    Başlık çevirisi yok

    HÜSNÜ DAL

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2012

    İnşaat MühendisliğiTechnısche Unıversıtat Dresden

    Yapı Malzemesi Ana Bilim Dalı

    PROF. MICHAEL KALISKE

Geri Dön