scholarly journals Constitutive modelling of the mechanical behaviour of unsaturated soils

2016 ◽  
Author(s):  
Παναγιώτης Σιταρένιος
Keyword(s):  
Mechanical Behaviour ◽  
Unsaturated Soils ◽  
Constitutive Modelling

Ο κύριος σκοπός της διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη ενός καταστατικού προσομοιώματος για μη κορεσμένα εδάφη, η τεκμηρίωσή του και η εισαγωγή του στο πρόγραμμα πεπερασμένων στοιχείων Simulia Abaqus. Ο μερικός κορεσμός σε πρακτικό επίπεδο αφορά κυρίως φυσικά ή συμπυκνωμένα εδάφη με κοινό τους χαρακτηριστικό την ανισοτροπία της μηχανικής τους συμπεριφοράς. Για τον λόγο αυτό επιλέχθηκε στο προτεινόμενο καταστατικό προσομοίωμα να συμπεριληφθεί η δυνατότητα πρόβλεψης της ανισοτροπίας, με αποτέλεσμα το τελικό παραδοτέο να αποτελεί ένα νέο καταστατικό προσομοίωμα για ανισότροπα στερεοποιημένα, μη κορεσμένα εδαφικά υλικά, με δυνατότητα εξωτερικής ενσωμάτωσης στον κώδικα πεπερασμένων στοιχείων Simulia Abaqus.Τα προτεινόμενο καταστατικό προσομοίωμα χρησιμοποιεί ένα στρεβλό ελλειψοειδές ως την επιφάνεια πλαστικής διαρροής και ενσωματώνει έναν μη συσχετισμένο νόμο ροής, καθώς και έναν μικτό νόμο κράτυνσης για να περιγράψει με ακρίβεια τη συσχέτιση των καμπυλών εγγενούς συμπίεσης με το επίπεδο της επιβαλλόμενης τασικής ανισοτροπίας, αλλά και την τασική χαλάρωση που επιδεικνύουν ανισότροπα στερεοποιημένα εδαφικά υλικά σε δοκιμές αστράγγιστης τριαξονικής συμπίεσης. Η επέκταση του καταστατικού προσομοιώματος για εδαφικές καταστάσεις μερικού κορεσμού γίνεται με χρήση της τάσης εδαφικού σκελετού του Bishop ως η πρώτη καταστατική παράμετρος, καθώς και της μύζησης και του βαθμού κορεσμού ως επιπλέον καταστατικές παραμέτρους. Τέλος, ενσωματώνει μία καταστατική επιφάνεια τύπου Φόρτισης – Κατάρρευσης για την περιγραφή πλαστικών καταστάσεων που συνδέονται με φόρτιση επί καταστάσεων παρθενικής συμπίεσης υπό διαφορετικά επίπεδα μύζησης.Το προτεινόμενο καταστατικό προσομοίωμα ενσωματώνεται σε αλγόριθμο επίλυσης των καταστατικών εξισώσεων σε υλικό σημείο, ο οποίος χρησιμοποιείται τόσο για την εκτέλεση απλών προσομοιώσεων τυπικών τασικών οδεύσεων φόρτισης και μεταβολής της μύζησης σε υλικό σημείο, όσο και για την ενσωμάτωση του προσομοιώματος στον κώδικα πεπερασμένων στοιχείων Simulia Abaqus. Για την πραγματοποίηση προσομοιώσεων της συμπεριφοράς μη κορεσμένων εδαφών, ενσωματώνονται στον αλγόριθμο δυνατότητες συζευγμένης ανάλυσης της μηχανικής και υδραυλικής συμπεριφοράς μέσω ενός μαθηματικού προσομοιώματος περιγραφής της καμπύλης συγκράτησης ύδατος το οποίο περιλαμβάνει εξάρτηση της συμπεριφοράς από τις ογκομετρικές παραμορφώσεις.Για την επαλήθευση και αξιολόγηση του καταστατικού προσομοιώματος εκτελέστηκε ικανό πλήθος παραμετρικών αναλύσεων με σκοπό την επαλήθευση της συμμόρφωσης του προσομοιώματος με τις προβλέψεις του πλαισίου μηχανικής συμπεριφοράς, ενώ επιπρόσθετα βαθμονομήθηκε επί τη βάση εργαστηριακών αποτελεσμάτων που αφορούν σε τρία διαφορετικά εδάφη. Τέλος το προσομοίωμα εφαρμόστηκε σε σύνθετες αναλύσεις πεπερασμένων στοιχείων σε προβλήματα διάνοιξης σήραγγας με μηχανοποιημένη εκσκαφή καθώς και στην μελέτη της μηχανικής συμπεριφοράς μεμονωμένου επιφανειακού θεμελίου υπό συνθήκες μερικού κορεσμού του εδάφους θεμελίωσης. Προέκυψε ότι το προτεινόμενο καταστατικό προσομοίωμα δύναται να περιγράψει με επιτυχία τα κυριότερα μηχανικά χαρακτηριστικά ανισότροπα στερεοποιημένων εδαφών τόσο σε καταστάσεις πλήρους όσο και μερικού κορεσμού, ενώ η διατύπωσή του είναι σχετικά απλή και οι παράμετροί του εύκολα διακριβώσιμες στη βάση συνήθων εργαστηριακών δοκιμών. Πιο συγκεκριμένα, οι κυριότερες δυνατότητες του προτεινόμενου προσομοιώματος έγκεινται στην δυνατότητα περιγραφής με ακρίβεια της εξάρτηση των καμπυλών εγγενούς συμπίεσης από τον βαθμό της επιβαλλόμενης τασικής ανισοτροπίας, στην επιτυχή περιγραφή της συσσώρευσης πλαστικών παραμορφώσεις, στην επιτυχή περιγραφή της τασικής χαλάρωση που επιδεικνύουν ανισότροπα στερεοποιημένα εδαφικά υλικά καθώς και μίας ενιαίας κρίσιμης κατάστασης. Επιπρόσθετα περιγράφει επιτυχώς την μη γραμμική εξέλιξη της αντοχής μη κορεσμένων εδαφών με την μύζηση καθώς και ένα μέγιστο στις παραμορφώσεις λόγω διαβροχής.

New framework for volumetric constitutive behaviour of compacted unsaturated soils

2012 ◽  
Vol 49 (11) ◽  
pp. 1227-1243 ◽  
Author(s):  
Jayantha Kodikara
Keyword(s):  
Unsaturated Soils ◽  
Boundary Surface ◽  
Failure Surface ◽  
Constitutive Modelling ◽  
Tensile Failure ◽  
Compacted Soils ◽  
Compaction Curve ◽  
State Boundary ◽  
Observed Behaviour ◽  
New Framework

Volumetric behaviour is a fundamental consideration in unsaturated soil constitutive modelling. It is more complex than when the soil is saturated, as unsaturated soils exhibit a range of responses such as swelling and collapse under wetting and shrinkage and cracking during drying. While significant advances have been made, it is still difficult to generally explain all patterns of behaviour. This paper presents a new framework for modelling volumetric response of unsaturated soils with emphasis on compacted soils. The framework uses void ratio (e), moisture ratio (ew), and net stress (p) as the main constitutive variables and suction as a dependent variable. This choice of ew as a main constitutive variable is theoretically sound and is more attractive than the use of suction, which is relatively difficult to measure and displays significant hysteresis during drying and wetting. The framework incorporates the well-known compaction curve making it easily applicable to practical situations. Within the overall e–ew–p space, the operative space is constrained by three main surfaces; namely, loading–wetting state boundary surface, tensile failure surface, and the saturated plane. The conceptual basis for these state surfaces is described and the framework is qualitatively validated against observed behaviour of compacted soils.

A framework for the behaviour of unsaturated expansive clays

1992 ◽  
Vol 29 (6) ◽  
pp. 1013-1032 ◽  
Author(s):  
A. Gens ◽  
E. E. Alonso
Keyword(s):  
Key Words ◽  
Mechanical Behaviour ◽  
Unsaturated Soils ◽  
Expansive Soils ◽  
Experimental Results ◽  
Structural Rearrangements ◽  
Expansive Clays ◽  
Clay Model ◽  
Model Predictions ◽  
Low Activity

The paper presents a framework for describing the mechanical behaviour of unsaturated expansive clays. It is an extension of an existing formulation developed for unsaturated soils of low activity. The extended framework is based on the distinction within the material of a microstructural level where the basic swelling of the active minerals takes place and a macrostructural level responsible for major structural rearrangements. By adopting simple assumptions concerning the coupling between the two levels, it is possible to reproduce major features of the behaviour of unsaturated expansive clays. Some selected qualitative comparisons between model predictions and experimental results reported in the literature are presented. Despite the simplified hypotheses made, a very encouraging agreement is obtained. Key words : capillarity, clay, model, unsaturation, suction, expansive soils.

Elastoplastic prediction of hydro-mechanical behaviour of unsaturated soils under undrained conditions

2008 ◽  
Vol 35 (6) ◽  
pp. 845-852 ◽  
Author(s):  
De’An Sun ◽  
Daichao Sheng ◽  
Li Xiang ◽  
Scott W. Sloan
Keyword(s):  
Mechanical Behaviour ◽  
Unsaturated Soils ◽  
Undrained Conditions

scholarly journals Constitutive modelling of arteries

2010 ◽  
Vol 466 (2118) ◽  
pp. 1551-1597 ◽  
Author(s):  
Gerhard A. Holzapfel ◽  
Ray W. Ogden
Keyword(s):  
Mechanical Behaviour ◽  
Soft Tissues ◽  
Elastic Strain Energy ◽  
Cylindrical Tube ◽  
Strain Energy Function ◽  
Biological Tissues ◽  
Constitutive Modelling ◽  
Highly Nonlinear ◽  
Wide Range ◽  
Modelling Effort

This review article is concerned with the mathematical modelling of the mechanical properties of the soft biological tissues that constitute the walls of arteries. Many important aspects of the mechanical behaviour of arterial tissue can be treated on the basis of elasticity theory, and the focus of the article is therefore on the constitutive modelling of the anisotropic and highly nonlinear elastic properties of the artery wall. The discussion focuses primarily on developments over the last decade based on the theory of deformation invariants, in particular invariants that in part capture structural aspects of the tissue, specifically the orientation of collagen fibres, the dispersion in the orientation, and the associated anisotropy of the material properties. The main features of the relevant theory are summarized briefly and particular forms of the elastic strain-energy function are discussed and then applied to an artery considered as a thick-walled circular cylindrical tube in order to illustrate its extension–inflation behaviour. The wide range of applications of the constitutive modelling framework to artery walls in both health and disease and to the other fibrous soft tissues is discussed in detail. Since the main modelling effort in the literature has been on the passive response of arteries, this is also the concern of the major part of this article. A section is nevertheless devoted to reviewing the limited literature within the continuum mechanics framework on the active response of artery walls, i.e. the mechanical behaviour associated with the activation of smooth muscle, a very important but also very challenging topic that requires substantial further development. A final section provides a brief summary of the current state of arterial wall mechanical modelling and points to key areas that need further modelling effort in order to improve understanding of the biomechanics and mechanobiology of arteries and other soft tissues, from the molecular, to the cellular, tissue and organ levels.

scholarly journals Energy-based constitutive modelling of local material properties of canine aortas

2016 ◽  
Vol 3 (9) ◽  
pp. 160365 ◽  
Author(s):  
Kaveh Laksari ◽  
Danial Shahmirzadi ◽  
Camilo J. Acosta ◽  
Elisa Konofagou
Keyword(s):  
Constitutive Model ◽  
Mechanical Behaviour ◽  
Computational Models ◽  
Constitutive Models ◽  
Constitutive Modelling ◽  
Axial Position ◽  
Aortic Tissue ◽  
Nonlinear Constitutive Model ◽  
Local Material Properties

This study aims at determining the in vitro anisotropic mechanical behaviour of canine aortic tissue. We specifically focused on spatial variations of these properties along the axis of the vessel. We performed uniaxial stretch tests on canine aortic samples in both circumferential and longitudinal directions, as well as histological examinations to derive the tissue's fibre orientations. We subsequently characterized a constitutive model that incorporates both phenomenological and structural elements to account for macroscopic and microstructural behaviour of the tissue. We showed the two fibre families were oriented at similar angles with respect to the aorta's axis. We also found significant changes in mechanical behaviour of the tissue as a function of axial position from proximal to distal direction: the fibres become more aligned with the aortic axis from 46° to 30°. Also, the linear shear modulus of media decreased as we moved distally along the aortic axis from 139 to 64 kPa. These changes derived from the parameters in the nonlinear constitutive model agreed well with the changes in tissue structure. In addition, we showed that isotropic contribution, carried by elastic lamellae, to the total stress induced in the tissue decreases at higher stretch ratios, whereas anisotropic stress, carried by collagen fibres, increases. The constitutive models can be readily used to design computational models of tissue deformation during physiological loading cycles. The findings of this study extend the understanding of local mechanical properties that could lead to region-specific diagnostics and treatment of arterial diseases.

Sign in / Sign up

Export Citation Format

Share Document