Application of expanded polystyrene (eps) geofoam for the mitigation of dynamic vibrations and distress of civil infrastructure

Η κυκλοφοριακή συμφόρηση αποτελεί ένα από τα πιο σημαντικά προβλήματα για τα συμβατικά μέσα μεταφοράς, όπως τα αυτοκίνητα και τα λεωφορεία. Το μειονέκτημα αυτό, οδηγεί όλο ένα και περισσότερο, στην αναζήτηση εναλλακτικών, άνετων, γρήγορων και φιλικών προς το περιβάλλον μέσων μεταφοράς. Τα τρένα υψηλής ταχύτητας (high-speed trains - HST) αποτελούν μια εξαιρετική εναλλακτική λύση σε αυτό το πρόβλημα, όμως θα πρέπει να διευθετηθούν κάποια ζητήματα ώστε να εξασφαλιστεί η σωστή λειτουργία τους. Το πιο σημαντικό πρόβλημα, το οποίο επηρεάζει την ασφάλεια των σιδηρόδρομων υποδομών υψηλής ταχύτητας, είναι τα ενισχυμένα επίπεδα κραδασμών που προκαλούνται λόγω της υψηλής ταχύτητας διέλευσης. Τις τελευταίες δεκαετίες, ο αναπτυσσόμενοι κραδασμοί κατά τη διέλευση HST θεωρούνται ως ένα ιδιαίτερα σημαντικό περιβαλλοντικό ζητήματα.Για τον λόγο αυτό, έχουν πραγματοποιηθεί αρκετές μελέτες προκειμένου να προταθούν μέτρα περιορισμού των κραδασμών. Τα μέτρα αυτά μπορούν να ομαδοποιηθούν σε τέσσερις κατηγορίες: (α) την τροποποίηση της σιδηροτροχιάς, (β) την καλή και τακτική συντήρηση του σιδηροδρομικού δικτύου, (γ) την εφαρμογή μέτρων προστασίας σε θεμελίωση/σκελετό των κτιρίων, και (δ) την τοποθέτηση τάφρων με στόχο την απομείωση των επιφανειακών κυμάτων. Το πιο δημοφιλές μέτρο μετριασμού για τη μείωση του επιπέδου των κραδασμών είναι η κατασκευή τάφρων κατά μήκος του σιδηροδρομικού δικτύου. Τα τελευταία χρόνια, έχουν προταθεί διάφοροι τύποι τάφρων και υλικών πλήρωσης, ωστόσο, οι πιο αποτελεσματικές τάφροι έχουν υψηλό κόστος κατασκευής και συντήρησης. Ως εκ τούτου, η πρόταση ενός αποτελεσματικού και οικονομικού μέτρου περιορισμού των κραδασμών εξακολουθεί να αποτελεί πρόκληση για την επιστημονική κοινότητα.Μία ακόμη πρόκληση για τους ερευνητές είναι η εύρεση αριθμητικών, πειραματικών ή αναλυτικών μεθόδων, ικανών να προβλέψουν με ακρίβεια τα χαρακτηριστικά των κραδασμών. Για τον σκοπό αυτό, έχουν αναπτυχθεί διάφορα προσομοιώματα δύο (2D), δυόμιση (2.5D) και τριών διαστάσεων (3D) με τη χρήση των μεθόδων πεπερασμένων διαφορών, πεπερασμένων στοιχείων ή συνοριακών στοιχείων. Τα τελευταία χρόνια, οι προαναφερθείσες μεθοδολογίες χρησιμοποιήθηκαν για την εξέταση διαφόρων προβλημάτων, όπως η διερεύνηση της κρίσιμης ταχύτητας διέλευσης των HST, η επιρροή των γεωμετρικών και μηχανικών χαρακτηριστικών της σιδηροδρομικής γραμμής και του υπεδάφους, η εφαρμογή αποτελεσματικών μέτρων περιορισμού των κραδασμών, κ.λπ.Βασικός στόχος της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη μίας αποτελεσματικής αριθμητικής μεθοδολογίας προσομοίωσης του σύνθετου δυναμικού φαινομένου, με σχετικά χαμηλό υπολογιστικό κόστος, ικανής να προβλέψει με ακρίβεια τους κραδασμούς του υπεδάφους κατά τη διέλευση HST. Για τον σκοπό αυτό, έχει επιλεγεί η μέθοδος των πεπερασμένων στοιχείων. Προκειμένου να διασφαλιστεί η αξιοπιστία της αριθμητικής μεθοδολογίας, τα αποτελέσματα του κάθε προσομοιώματος αναφοράς συγκρίθηκαν με διαθέσιμες επιτόπιες μετρήσεις. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκαν μετρήσεις πεδίου κατά τη διέλευση του τρένου υψηλής ταχύτητας Thalys σε τρεις θέσεις της σιδηροδρομικής γραμμής Παρισιού-Βρυξελλών για την επαλήθευση της ορθότητας των αντίστοιχων αριθμητικών προσομοιωμάτων. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε εκτεταμένη διερεύνηση με στόχο την πρόταση αποτελεσματικών διατάξεων περιορισμού των κραδασμών με τη χρήση γεωαφρού διογκωμένης πολυστερίνης (expanded polystyrene – EPS) σε θέσεις επιχωμάτων και ορυγμάτων. Για τη διασφάλιση της αξιοπιστίας των προτεινόμενων διατάξεων, πραγματοποιήθηκε μια εκτενής διερεύνηση διαφόρων παραγόντων, όπως οι συνθήκες του υπεδάφους, η διάταξη της σιδηροτροχιάς, καθώς και η ταχύτητα διέλευσης του HST. Επιπροσθέτως, διερευνάται η προστασία γειτονικών κτιρίων και υπόγειων αγωγών με τη χρήση γεωαφρού EPS, όπου και πάλι αναδεικνύεται η συμβολή των προτεινόμενων μέτρων στην αντιμετώπιση των δυσμενών συνεπειών στις κατασκευές και στους ανθρώπους εξαιτίας των κραδασμών από τη διέλευση HST.

Evaluating the Role of Geofoam Properties in Reducing Lateral Loads on Retaining Walls: A Numerical Study

Expanded polystyrene (EPS) geofoam is a lightweight compressible material that has been widely used in various civil engineering projects. One interesting application of EPS in geotechnical engineering is to reduce the lateral earth pressure on rigid non-yielding retaining walls. The compressible nature of the EPS geofoam allows for the shear strength of the backfill soil to be mobilized, which leads to a reduction in lateral earth pressure acting on the wall. In this study, a finite element model is developed and used to investigate the role of geofoam inclusion between a rigid retaining wall and the backfill material on the earth pressure transferred to the wall structure. The developed model was first calibrated using experimental data. Then, a parametric study was conducted to investigate the effect of EPS geofoam density, relative thickness with respect to the wall height, and the frictional angle of backfill soil on the effectiveness of this technique in reducing lateral earth pressure. Results showed that low-density EPS geofoam inclusion provides the best performance, particularly when coupled with backfill of low friction angle. The proposed modeling approach has shown to be efficient in solving this class of problems and can be used to model similar soil-geofoam-structure interaction problems.