Objective determination of failure mechanisms in geomechanics (DCB.6368)

In de afgelopen 10 jaar heeft Nederland diverse keren te maken gehad met hoogwatercondities op de grote rivieren. Daarbij is de stabiliteit van de rivierdijken zwaar op de proef gesteld. Numerieke modellen, conventionele rekenmethodes en geavanceerde rekenmodellen gebaseerd op de eindige-elementenmethode gaven zelfs aan dat onder deze extreme condities geen stabiel evenwicht aanwezig kon zijn. Blijkbaar is in de dijk een reserve aanwezig die ervoor heeft gezorgd dat geen daadwerkelijke bezwijksituaties zijn opgetreden. Een oorzaak is dat zelfs de geavanceerde eindige-elementenmethode berekeningen de werkelijk optredende bezwijkmechanismen onvoldoende nauwkeurig kunnen voorspellen. De afschuifband (schuifvoeg) is veelal te dik en afhankelijk van de gebruikte discretisatie. Hierdoor is het resultaat van eindige-elementenmethode (EEM) berekeningen bij het gebruik van zogenoemde softening modellen (modellen waarbij de reststerkte lager is dan de pieksterkte) ook afhankelijk van de discretisatie. Het resultaat is niet objectief en dus onbetrouwbaar.
Het doel van dit project is om numeriek gereedschap te ontwikkelen voor de realistische modellering van bezwijkmechanismen in een grondlichaam, waarbij de resultaten onafhankelijk zijn van de gebruikte discretisatie. Hierdoor wordt de objectiviteit van de EEM-analyses gewaarborgd. In dit project wordt voorgesteld om een nieuwe methode te gebruiken waarbij discontinuïteiten worden toegevoegd aan een eindige-elementenmesh. Met deze discontinuïteiten in het verplaatsingsveld kunnen de enorme deformatiegradiënten in de afschuifbanden worden beschreven. Deze zogenoemde Partition of Unity (PU) methode is eerder succesvol toegepast om scheurvorming in brosse materialen te beschrijven (Wells en Sluys, 2001). De constitutieve materiaalwetten voor grond moeten opnieuw worden geformuleerd om te kunnen worden gebruikt in dit discrete raamwerk. De nieuwe modellering moet leiden tot een betere voorspelling van de bezwijkmechanismen in grondconstructies, waarbij de richtingsafhankelijkheid van de afschuifband/schuifvoeg en de invloed van de dilatantie hierop moeten worden bepaald. Tevens is de invloed van de verzadigingsgraad van de grond een zeer belangrijke parameter. Het uiteindelijke doel van dit project is om de werkelijke sterkte en stabiliteit van grondconstructies beter te kunnen beschrijven en hiermee een nauwkeurigere berekening te kunnen maken van de faalkans van dergelijke geotechnische constructies.

Utilisatie
De resultaten van het voorgestelde project zijn bedoeld om te worden toegepast voor de stabiliteits- en risico analyse van grondconstructies in het algemeen, en dijken, hellingen, ophogingen en ontgravingen in het bijzonder, met name daar waar het (gedeeltelijk) verzadigde grond betreft en/of grond met de neiging tot afnemende sterkte. De resultaten van het onderzoek zullen robuust worden geïmplementeerd in toegankelijke computerprogramma's en beschikbaar worden gesteld voor praktische toepassing in de geotechnische ingenieurspraktijk. Potentiële gebruikers van de methode zijn geotechnisch ingenieurs werkend bij nationale overheden voor publieke waterbouwkundige werken, geotechnische instituten en adviesbureaus, die belast zijn met het ontwerp en het onderhoud van zee- en rivierdijken, ophogingen voor wegen en spoorwegen, natuurlijke hellingen en ontgravingen. De implementatie van de methode in de ingenieurspraktijk zal worden bereikt door middel van colleges aan technische universiteiten en post-academische cursussen. De auteurs van het projectvoorstel hebben direkte toegang tot alle kanalen die benodigd zijn voor een succesvolle utilisatie van de onderzoeksresultaten, hetgeen wordt bevestigd door eerdere (STW) onderzoeksprojecten. Eén van deze kanalen is PLAXIS en zijn internationale gebruikersgroep.