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Extended fully coupled analysis of consolidation using the finite element method

Pham, Hung Tien (2020):
Extended fully coupled analysis of consolidation using the finite element method.
Darmstadt, Technische Universität, DOI: 10.25534/tuprints-00011556,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Extended fully coupled analysis of consolidation using the finite element method
Language: English
Abstract:

The thesis focuses on consolidation analysis using the poroelasticity theory, or Biot’s theory. It is written with a cumulative form including three research publications. The first two chapters of the thesis introduce briefly the topic, the poroelasticity theory, and finite element codes.

Chapter 3 presents a fully coupled plug-in for FEFLOW software that aims to analyse land subsidence problem due to groundwater extraction. The plug-in was developed using the C++ programming language with FEFLOW APIs and Qt IDE. It is distributed freely on GitHub. Two techniques were used to increase the speed of the plug-in. First, the boundary conditions are applied for local stiffness matrices before they are assembled to the global stiffness matrix. Second, the global stiffness matrix is assembled using multicores of the central processing unit (CPU).

Chapter 4 proposes a new approach to process data from the constant rate of strain test (CRST) for consolidation analysis. Instead of plotting test data on e-log(σ’) graph (where e is the void ratio and σ’ is the effective stress) to obtain the compression index Cc and the compression index Cr, the back-analysis method is used to obtain stress-dependent parameters for finite element models based on Biot’s theory. An open-source software called CONAXIS was developed for this purpose. Codes and algorithms for CONAXIS were partly taken from previous FEFLOW plug-in. The proposed approach was compared with a commercial software named PLAXIS and was verified with data of two soft soil improvement projects in Mekong Delta, Vietnam. Both projects used prefabricated vertical drains (PVD) combining with surcharge loading and vacuum pumping as the improvement method. Each PVD has an influence zone that is idealised as a cylinder called a unit cell. Consolidation analyses for both projects were performed with axisymmetric models of unit cells in CONAXIS. In the first project, nine CRSTs from the same borehole with various depth were used to set up the model in CONAXIS. The soft soil thickness was 17.5 m. For the second project, six CRSTs from three boreholes were used, and the thickness of soft soils was about 35.0 m. Model results from CONAXIS were compared to field monitoring data. Both models showed a good agreement with field data.

Finally, chapter 5 deals with radial flows in 3D models of PVD systems. To capture radial flows around PVDs, finite element meshes around PVDs must be discrete with small element sizes that lead to a heavy computational effort, especially for 3D models. A new approach based on Vimoke-Taylor concept was proposed to overcome this difficulty. Instead of modelling both the PVD boundary and the smear-zone around PVD, a drained-zone was used to represent both PVD and the smear-zone. The horizontal hydraulic conductivity of the drained-zone was modified with a correction factor that was determined by fitting numerical results with analytical solutions of the unit cell. Factors related to characteristics of PVDs and soils affecting the correction factor Cd were investigated with six patch tests. The results of the patch tests indicate that the Cd value depends mainly on three factors: the size of the drained-zone, the size of the PVD and the smear-zone, and the mesh characteristic of the drained-zone. When one of these factors changes, Cd must be recalculated. Conversely, Cd is not affected by changes in the soil properties and the discharge capacity of the PVD.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Arbeit konzentriert sich auf die Konsolidationsanalyse mit Hilfe der Poroelastizitätstheorie oder der Biot's Theorie. Sie ist in kumulativer Form geschrieben und umfasst drei Veröffentlichungen. Die ersten beiden Kapitel der Arbeit führen kurz in das Thema ein, die Poroelastizitätstheorie und die Finite-Elemente-Codes. Kapitel 3 stellt ein vollständig gekoppeltes Plug-in für die FEFLOW-Software vor, das das Problem der Landabsenkung aufgrund von Grundwasserentnahme analysieren soll. Das Plug-in wurde unter Verwendung der Programmiersprache C++ mit FEFLOW-APIs und der Qt-IDE entwickelt. Es wird auf GitHub frei verteilt. Zwei Techniken wurden verwendet, um die Geschwindigkeit des Plug-Ins zu erhöhen. Erstens werden die Randbedingungen für lokale Steifigkeitsmatrizen angewendet, bevor sie zur globalen Steifigkeitsmatrix zusammengesetzt werden. Zweitens wird die globale Steifigkeitsmatrix mit Hilfe von Multicores der Zentraleinheit (CPU) zusammengesetzt. Kapitel 4 schlägt einen neuen Ansatz zur Verarbeitung von Daten aus dem „Constant rate of strain test“ (CRST) für die Konsolidationssanalyse vor. Anstatt Testdaten auf einem e-log(σ')-Diagramm (wobei e das Hohlraumverhältnis und σ ' die effektive Spannung ist) zu zeichnen, um den Kompressionsindex Cc und den Kompressionsindex Cr zu erhalten, wird die Methode der Rückanalyse verwendet, um spannungsabhängige Parameter für Finite-Elemente-Modelle auf der Grundlage der Biot's Theorie zu erhalten. Zu diesem Zweck wurde eine Open-Source-Software namens CONAXIS entwickelt. Codes und Algorithmen für CONAXIS wurden teilweise aus dem früheren FEFLOW-Plugin übernommen. Der vorgeschlagene Ansatz wurde mit einer kommerziellen Software namens PLAXIS verglichen und mit Daten von zwei Projekten zur Verbesserung der weichen Böden im Mekong-Delta, Vietnam, verifiziert. Bei beiden Projekten wurden vorgefertigte Vertikaldränagen (PVD) in Kombination mit Zuschlagsladung und Vakuumpumpen als Verbesserungsmethode verwendet. Jede PVD hat eine Einflusszone, die als Zylinder idealisiert ist, der als Einheitszelle bezeichnet wird. Konsolidationsanalysen für beide Projekte wurden mit achsensymmetrischen Modellen von Einheitszellen in CONAXIS durchgeführt. Im ersten Projekt wurden neun CRST aus demselben Bohrloch mit unterschiedlicher Tiefe verwendet, um das Modell in CONAXIS zu erstellen. Die Mächtigkeit des weichen Bodens betrug 17,5 m. Für das zweite Projekt wurden sechs CRST aus drei Bohrlöchern verwendet, und die Mächtigkeit des weichen Bodens betrug etwa 35,0 m. Die Modellergebnisse aus CONAXIS wurden mit den Daten der Feldüberwachung verglichen. Beide Modelle zeigten eine gute Übereinstimmung mit den Felddaten. Kapitel 5 schließlich befasst sich mit radialen Strömungen in 3D-Modellen von PVD-Systemen. Um radiale Strömungen um PVDs zu erfassen, müssen Finite-Elemente-Netze um PVDs mit kleinen Elementgrößen diskret sein, was insbesondere bei 3D-Modellen zu einem hohen Berechnungsaufwand führt. Um diese Schwierigkeit zu überwinden, wurde ein neuer Ansatz vorgeschlagen, der auf dem Vimoke-Taylor-Konzept basiert. Anstatt sowohl die PVD-Grenze als auch die Abstrichzone um die PVD herum zu modellieren, wurde eine drainierte Zone verwendet, um sowohl die PVD als auch die Abstrichzone darzustellen. Die horizontale hydraulische Leitfähigkeit der drainierten Zone wurde mit einem Korrekturfaktor modifiziert, der durch die Anpassung der numerischen Ergebnisse an analytische Lösungen der Einheitszelle bestimmt wurde. Faktoren, die mit den Eigenschaften von PVDs und Böden zusammenhängen und den Korrekturfaktor Cd beeinflussen, wurden mit sechs Patch-Tests untersucht. Die Ergebnisse der Patch-Tests zeigen, dass der Cd -Wert hauptsächlich von drei Faktoren abhängt: der Größe der drainierten Zone, der Größe der PVD- und der Abstrichzone und der Maschencharakteristik der drainierten Zone. Wenn sich einer dieser Faktoren ändert, muss der Cd -Wert neu berechnet werden. Umgekehrt wird Cd nicht durch Änderungen der Bodeneigenschaften und der Ableitungskapazität der PVD beeinflusst.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 550 Geowissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Earth Science > Geothermal Science and Technology
Date Deposited: 08 Apr 2020 08:02
Last Modified: 09 Jul 2020 06:29
DOI: 10.25534/tuprints-00011556
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-115568
Referees: Sass, Prof. Dr. Ingo and Rühaak, PD Dr. Wolfram
Refereed: 29 January 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/11556
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