Geotechnical Soil Properties

지반공학을 위한 수치해석, 정말 쉽게 한번 접근해 보자.

지반공학의 절대 기본이 되는 흙의 특성들을 요점정리 해본다.

대전제

: 흙은 Solid (Sand or Clay) + water + air 혼합물로서,

 heterogeneous, anisotropic 한 비선형 거동 물성체이다.

The unified classification method (통일분류법)

Sieve analysis --> S / C 구별 and W / P graded 판단

• Cu : Coefficient of Uniformity = D60 / D10
• Cc : Coefficient of Curvature = D30^2 / (D10*D60)
• if Cu > 6 and 1 < Cc < 3, then SW

Atterberg limit test --> Plasticity Chart

• LL (wL) : Liquid Limit :차트 가로축
• PL : Plastic Limit
• PI (Ip) : Plastic Index = LL - PL : 차트 세로축

etc.

• e : void ratio = Vv / Vs  <-- 가장 많이 쓰임. 중요.
• w : water content = Mw / Ms
• Sr : Degree of Saturation = Vw / Vv
• n : porosity = Vv / V = e / (1+e)
• gamma_t : total unit weight = (G+Sr*e) / (1+e) *  gamma_w

Stress & Strain

: 아래에선 기본적인 응력 sigma 를 P 로 표기한다.

Mohr's Circle

• Shear strength
• Mohr-Coulomb failure envelope --> c , phi

Effective stress

• Terzaghi (1936)
• The effective stress = total stress - pore water pressure
• P' = P - pwp
• Earth Pressure at Rest
• "at Rest" : a stress state of K0 is a constant.
• K0 ( = P'h / P'v ) : Earth pressure coefficient at rest

p & q

• Lambe representation : 2D --> Mohr's Circle 대신 사용
• p : average stress = 1/2 * (P1 + P3) = p' + pwp
• q : deviator stress = 1/2 * (P1 - P3) = q'
• Cambridge representation : 3D --> Triaxial Test 결과플랏 y축에 q 사용
• p = 1/3 * (P1 + P2 + P3) = p' + pwp
• q = (P1 - P3) = q'

Triaxial compression test

• UU : Unconsolidated Undrained = Quick test
• 초기 안정만 해석, 보통 시공 직후가 가장 위험하므로
•     Saturated : c > 0, phi = 0 --> tau : cu = 0.5(s1-s3)
• Unsaturated : c > 0, phi > 0
• CU : Consolidated Undrained = Slow test
• 흙댐, 제방 완공 후 수면 급격히 하강한 경우 안정계산
• CU: effective stress test --> c' & phi'
• CD : Consolidated Drained = 어려운 test 라 CU 로 보통 대체
• 투수계수가 큰 흙에 사용

Shear strength

• Clay --> Sensitivity = undisturbed strength / remoulded strenfgh ( if >16 : Quick clay )
• Dense sand --> Dilatancy
• Loose sand + saturated + undrained + shear stress --> Liquefaction 

• 추가 : soil 별 보통의 c 혹은 phi 값
• Soft clay : c = 20 ~ 40 kPa
• Firm clay : c = 50 ~ 75 kPa
• Loose sand : phi = 27 `
• Dense sand : phi = 35 `

Seepage (물의 침투)

Darcy's Law : Q = k i A

• k : coefficient of permeability = hydraulic conductivity
• 1st k 유추식 (Hazen's eq) : k = 0.01 * (D10)^2 [m/s]
• 2nd k 유추식 (Kozeny-Carman's eq) : k = f(phi) * d^2 * f(s)
• Flow net : Q = k * h  * Nf / Nd  --> estimate quick conditions (boiling & piping)

• Assumptions
• laminar flow
• isotropic, homogeneous
• rigid soil structure
• saturated

Hydraulic test

• Constant head test : Q / A = k * L/dH
• Falling head test : Q dt = - a dh = k * h/L * A dt

etc.

• Bernoilli's eq : h = z + u/gamma_w + v^2/(2g)
• Laplace eq : d2h/dx2 + d2h/dy2 = 0

Compaction (다짐)

: 공기 빼기. 단, 100% 제거는 불가능.

 최적의 다짐을 위해선 적정한 물 (water film)이 필요함.

• Dry density (건조중량) 식이 중요
• rho_d
• = rho / (1 + w)
• = Gs * rho_w / (1 + e)
• = Gs * (1 - Ar) * rho_w / (1 + w * Gs)
• Find e, n ( = e/(1+e) )
• Degree of Saturation 식도 중요
• Sr 
• = w * Gs / e
• RC : Relative Compaction = rho_d (field) / rho_d_max (lab test)

Consolidation (압밀) : S = Se + Sc + Ss

: 물 빼기. 문제는 Clay 의 low permeability

• Clay --> OCR : OverConsolidation Ratio = Past Sv / Present Sv > 1
•         --> sensitivity

Initial (elastic) settlement (탄성 침하)

• Elastic half-space method
• Assumes homogeneous, elastic, and isotropic material goes on to infinity below a plane surface.
• Boussinesq
• Point loads : Pz = Q / z^2 * Ip
• Line loads --> bulb of pressure until z = about 3B
• Strip loads
• Area loads
• The Newmark influence chart
• The vertical stress point is required at the center of the chart.
• Pz = 0.005 * N * q
• Schleicher (1926)
• Elastic (initial) settlement : Se = dP * B * (1-v^2) / Es * Ip
• Se is direct proportion to both dP and B.
• 추가 : soil 별 보통의 Es 와 v 값
• Soft clay : Es = 1.8 ~ 3.5 MPa, v = 0.15 ~ 0.25.
• Hard clay : Es = 6 ~ 14 MPa, v = 0.2 ~ 0.5.
• Loose sand : Es = 10 ~ 28 MPa, v = 0.2 ~ 0.4.
• Dense sand : Es = 35 ~ 70 MPa, v = 0.3 ~ 0.45.
• 추가 : Schmertman & Hartman method (1978)
• Elastic (initial) settlement : Se = C1 * C2 * q * dz * (Iz / Es)
• C1 : correction factor for depth of foundation embedment
• C2 : correction factor to account for creep in soil

Primary consolidation settlement (압밀 침하)

• 우선 로그스케일 플랏 [ (e) vs. log(P) ] 를 그린다.
• OCR = Pc / Po > 1
• Pc : 선행압밀하중 = 과거 최대 하중
• Cc : Compression index : 압축지수 
• Cc = 기울기 of log scale
• Cc = -(e1 - e2) / (logP1 - logP2)
• 참고) Skempton 경험식 : Cc = 0.007 * (WL - 10) 
• Cr : Re-compression index
• Settlement (Sc) = Cc / (1+e) * H * log[ (P0 + dP) / P0 ]
• if P0 < Pc < P0 + dP
• then Sc = Cs/(1+e)*H*log(Pc/P0) + Cc/(1+e)*H*log((P0+dP)/Pc)

• 다른 방법도 있다.
• av : coefficient of compressibility : 압축계수 = 기울기 of natural scale
• av = -(e1-e2) / (P1-P2)
• mv : coefficient of vomule change: 체적변화율 = av / (1+e0)
• Settelement (Sc) = mv * del(P) * H

• 시간에 따른 압밀 침하량 변화 플랏 [ dH vs Time ] 을 그린다.
• Cv : Coefficient of (Vertical) consolidation : 압밀계수
• from Terzaghi 1D eqution : du / dt = Cv * d2u / dz2
• 두 가지 방법
• root (t) : Taylor : Cv = T90 * H^2 / t90 = 0.848 * H^2 / t90
• log (t) : Casagrande : Cv = T50 * H^2 / t50 = 0.197 * H^2 / t50
• U : Degree of consolidation
• U vs Tv 그래프를 이용
• 간단히 계산
• for U < 0.6 --> Tv = pi/4 * U^2
• for U > 0.6 --> Tv = -0.933 * log(1 - U) - 0.085
• Consolidtion time (t) = Tv * H^2 / Cv

• 예를 들어보자. <--- 기억이 안남
• mv,.... 등이 주어진다.
• 총 침하량 Sc 를 구한다.
• 허용 침하 S 와 구해진 Sc 로 U 를 구한다.
• U 로 Tv 를 구하고 Cv 를 구해서,
• 최종 시간을 구했었는데...

Secondary compression settlement (2차 압밀) = Creep

• Because of the plastic adjustment of soil fabrics
• Ca : Secondary compression index
• Ca = - de / log(t1 - t2)
• Settlement (Ss) = Ca * H * log(t2 / t1)

Geomechanics

지반공학을 위한 수치해석, 정말 쉽게 한번 접근해 보자.

한번은 들어봤지만 한번에 알수가 없는 지반탄성체에 대해 요점정리 해본다.

Mathematical Preliminaries: 기본 수학

Tensor (in Euclidian Space)

• ( a,b ) = scalar                   = integer, potential
• ( a,b ) = 1st order tensor    = 3x1 matrix vector :  3 components
• ( A,B ) = 2nd order tensor  = 3x3 matrix            :  9 components
• ( A,B ) = 3rd order tensor  = 3x3x3 matrix        : 27 components
• ( A,B ) = 4rd order tensor  = 3x3x3x3 matrix    : 81 components

Product

• inner product                     = u · v = c     : projection, eg) (1,0,0) · (0,1,0) = 0+0+0
• vector (cross) product       = u x v = w   : area,          eg) (1,0,0) x (0,1,0) = (0,0,1)
• triple scalar (box) product = (u x v) · w  : volume
• tensor product (dyad)       = u ⊗ v = U  or  A ⊗ B = D
• trace                                 = tr(U) = tr(u ⊗ v) = u · v
• dot product                       = A · B = C = Aik Bkj
• double contraction            = A : B = D = Aij Bij

Del: Nabla operator (∇)

• gradient:      ∇ p     = u = ( dp/dx, dp/dy, dp/dz )
• divergence: ∇ · u   = a = du/dx + du/dy + du/dz
• curl:             ∇ x u  = v = [ (du3/dy - du2/dz), (du1/dz - du3/dx), (du2/dx - du1/dy) ]
• Laplacian:   ∇ ·∇ p  = d2p/dx2 + d2p/dy2 + d2p/dz2
• Divergence of Gradient (p), 즉 2차 미분된 scalar 값
• Hessian:     H(p) = J(u) = J(∇ p)
• Jacobian of Gradient (p), 이건 2차 미분된 tensor 값

Divergence theorem (Gauss's theorem): 부피 변화는 전체 면적 flux 변화량 합이다.

Stoke's theorem: Cauchy's fomula 의 근간. 점에서의 값은 그 점 주변 둘러싼 닫힌 곡선 위에서 적분한 것과 같다??

Kinematic

가장 기본은 운동 (혹은 변형) 의 기술방법을 구별해 생각하는 일.

• Lagrangian Description (X) : Material coordinates: 물체 따라 같이 움직이는 기술방법
• Eulerian Description (x) : Spatial coordinates: 고정된 관찰자로서의 기술방법

Deformation gradient tensor (F)

• dx = F dX
• F = R U = Rotation tensor x Stretch tensor (symmetric)
• C = F' F : Right Cauchy-Green = Material deformation tensor
• B = F F' : Left Cauchy-Green = Finger tensor = Spatial deformation tensor
• E = 1/2 (C-I)       : Green (Lagrangian) strain tensor
• e = 1/2 (I - invB) : Almansi (Eulerian) strain tensor
• 하지만 결국 Cauchy's infinitesimal strain tensor = 1/2 * (u_j,i + u_i,j)

이게 왜 필요한가?

구조물 모니터링에서 우리가 얻을 수 있는것은 시간에 따른 좌표값 뿐.
그에 따른 displacement 와 strain 을 갖고 stress state 를 제대로 판단해야 파괴 예측 가능.

Stress

Cauchy stresses

• T(n) = s_ji * n_j = (3x1) = (3x3)*(3x1)
• T(n) : traction vector
• s : Cauchy (true) stress tensor
• angle between T(n) & n_j = inv( cos( T· n / |T||n| ) )
• Moment of equilibrium (about x3-axis) : s12 = s21 --> symmetric

Principal stresses (주응력)

• Mohr's circle
• Eigenvalue : det (s -lamda * d_ij) = 0 <--  어렵게만 배우던 고유값의 실제 사용예
• Invariants (I1, I2, I3) : - s^3 + I1*s^2 - I2*s + I3 = 0

Stress-Deviation tensor

• stress tensor = hydrostatic stress tensor (s_m) + deviator stress tensor (s')
• s'_ij = s_ij - s_m * I
• s_m = 1/3 * trace(s)
• I = identity matrix
• It is very important in describing the plastic behavior.
• 주의 : triaxial test 에서 보통 쓰던 deviator stress = s1 - s3 랑은 또 조금 다름.
• 주의 : s' 의 Invariants = (J1, J2, J3) 로 (I1, I2, I3) 와 다름. J1 = 항상 0.

Constitutive Equations (구성방정식) : s_ij = C_ijkl * e_kl

• C_ijkl = 4th order tensor : 3^4 = 81 elements
• s = C e, where C : stiffness tensor
• e = S s, where S : compliance tensor
• Symmetrization : 81 - 3*9 - 3*6 = 36 elements
• Thus, anisotrophy constitutive equation : [s] (6x1) = [C] (6x6) * [e] (6x1)
• Isotrophiy constitutive equation : s_ij = lamda * e_kk * d_ij + 2 * mu * e_ij
• s_11 = lamda*(e_11+e_22+e_22) + 2mu*e_11
• Thus, [C] (6x6) = [ [lamda+2mu, lamda, lamda, 0, 0, 0] ...
• These can be transformed with ( K, E, v, G (=mu) ) in engineering.
• 추가 : Compatibility conditions = No gaps or overlaps during deformation.
• 즉, 적합방정식은 복잡해보여도 결국은 3차원 Strain 들의 관계식.

한마디로 결론은?

수치해석에서 등방성 탄성체를 가정했다면, Hooke's Law 는 딱 두 문자로 표현된다.
바로 Lame's parameters : lamda 와 mu .
복잡하게 Young's modulus (E), Poisson's ratio (v), bulk modulus (K), shear modulus (G) 로도 표현되곤 하는데, 결국은 똑같은거다. 더 배우고 싶다면 구조방에서...... ㅡ.ㅡㅋ

Failure Criteria (4 classic models)

Brittle material : Elasticity

• 1st. Mohr-Coulomb theory : t = c + s * tan(phi) 
• t : shear strength
• c : cohesion
• s : normal stress
• phi : angle of internal friction.

Ductile material : Plasticity

Beyond the elastic range yield occurs, Elastic and Plastic deformations are assumed to happen concurrently (Total strain e = eElastic + ePlastic) . Plasticity describes the deformation of a material undergoing non-reversible changes of shape in response to applied forces.

소성변형 들어가기에 앞서서..

1. EPP model : Elastic Perfectly Plastic model = no work hardening.
2. 그간 써오던 total accumulated strain 대신, increments in strain 을 사용한다. (loading, unloading 으로 인한 stress-strain 관계가 더이상 1:1 대응이 안되기 때문)
3. 
4. Principal plastic strain increments (d ePlastic) 와 principal deviator stress (s') 는 비례
5. Flow rule : plastic stress-strain law (between d ePlastic & Cauchy stress (s))
6. Prandtl-Reuss equations : full elastic-plastic stress-strain relations (w/ Hooke's law)

• 2nd. Tresca yield criterion
• Yield occurs when s1 - s3 reaches k (= direct shear strength).
• This assumes s2 has no effect.
• Tresca's criterion is more conservative than von Mises's.

• 3rd. von Mises yield criterion ( called J2-plasticity or J2 flow theory )
• Yield occurs : 2nd invariant of deviator stress tensor (J2) reaches k^2.
• von Mises 응력 : 각 지점에서의 비틀림에너지 (max. distortion E) 나타냄.
• J2 = 1/6 * [(s_xx-s_yy)^2 +...] + s_xy^2 +... = 1/2 * s'_ij * s'_ij
• material yield strength (k) = direct shear strength
• 식으로 쓰면 f = J2 - k^2 = 1/2 * (s'_ij)^2 - k^2
• f = 0 : yield
• f < 0 : elastic
• f > 0 : not possible
• All components of shear stress contribute to yield.

• 4th. Drucker-Prager yield criterion
• Pressure-dependent model (for plastic deformation of soils)
• sqrt(J2) = A + B * I1
• I1 : 1st invariant of Cauchy stress = 3*mean stress(s_m)
• J2 : 2nd deviator stress invariant
• A & B from experiments

추가 : Hyper-elastic = Green elastic

s_ij = B_ij + C_ijkl * e_kl

where, B_ij : components of initial stress tensor = storing of past Energy
아쉽게도 모든 지반 탄성체는 B_ij 가 당연히 존재함.

그리하여 

지반의 불균질 & 비등방성으로 인해, 복잡하지만 탄소성변형을 알아야 함.

Finite Element Method (유한요소법)

지반공학을 위한 수치해석, 정말 쉽게 한번 접근해 보자.

진짜 중요하지만 너무 어려운 유한요소법을 요점정리 해본다.

대전제: 모두 다 이해하려 하지 마라.

FEM의 시발점은 간단하게 말하려 해도... shape function 을 기반으로 한 basis function 의 적용과

Guassian interpolation 에 의한 global system 과 local system 사이의 mapping 이다.

이게 무슨 소린가 싶겠지만, 아쉽게도 이 부분은 자세히 파헤치지 않는것이 신상에 좋다.

ㅡㅡㅋ

Equation of Elasticity: FEM

[e] = [B] [u(i)]

[s] = [C] [e] = [C] [B] [u(i)]

[Ke] = Integral ( [B]' [C] [B] dV )

[Kg] [u] = [F]

Process

1. Initialization
1. Input values: Geometry, Material, Load
2. Gaussian interpolation points
3. Memory allocation
2. Mesh creation
1. Global node coordinates
2. Connectivity matrix: connect from each element to 4 nodes
3. Stiffness Matrix: Consider each element
1. [J]: Jacobian matrix
2. [B]: derivatives of the shape functions matrix
3. [C]: Constitutive matrix
4. [Ke] = [B]'[C][B] * wi wj * detJ * t
5. [Kg]: Assemble local [Ke] to global [Kg]
4. Boundary Conditions and Load vector
1. Left
2. Right
3. Bottom
4. [F]: Load vector
5. Solution
1. Matrix inversion: [u] = Inv[Kg] * [F]
2. Post-process for Stress: [s] = [C][B][u] at interpolation points
3. Interpolate [s] at global nodes

추가

Implicit 와 Explicit 의 차이 설명 글


http://bbalog.tistory.com/12

추후 다시 업데이트 하겠지만, 우선 간단한 예제를 아래 남긴다.

Example - Circular Footing on Soil media (axisymmetry)

PDE (편미분 방정식)

지반공학을 위한 수치해석, 정말 쉽게 한번 접근해 보자.

보면 볼수록 어려워지는 Partial Differential Equation 요점 정리 해본다.

Elliptical PDE: Steady seepage / Elasticity

Ellipse

Ex) Laplace equation

Related to Harmonic function
To be updated.

Ex) Poisson's equation

related to Green's function: Gn(r)


Ex) Helmhotz equation

Special case of Poisson's equation.

related to Bessel function in Separation of Variables (변수분리법)

Parabolic PDE: Consolidation / Heat / Diffusion

Parabola

Ex) Heat equation

To be updated.

Hyperbolic PDE: Wave propagation

Hyperbola

Ex) Wave equation

To be updated.