Numerisk Analyse av Jordnalger i PLAXIS 2D

Abstract

Det er stor enighet i forskningsmiljøer om prinsippene bak jordnagling og at jordnagling er en effektiv metode for skråningsstabilisering. Fasene i forkant av selve byggingen av støttekonstruksjonen: beregningsprinsipper, metode for stabilitetsanalyse og parametervalg fremstår det derimot ikke som fagfeltet har en enighet om. Tradisjonelt sett har skråningsstabiliteten blitt vurdert ved å anvende prinsippet om grenselikevekt(LEM), men i nyere tid har det blitt mer og mer vanlig å benytte elementmetode-programmer(FEM) til dette. Forskningen innen fagfeltet har derfor i nyere tid i stor grad vært rettet mot stabilitetsanalyse ved anvendelse av FEM-metode og da særlig FEM-maskinprogramvare. Men det finnes få klare og tydelige anbefalinger og fremgangsmåter for hvordan man modellerer jordnagler i PLAXIS 2D.

Det er utført et litteraturstudium for å undersøke hva litteraturen sier om jordnagling og hvilke metoder forskningen andvender i modellering av jordnagler. Resultater fra litteratuen viser at det finnes tre metoder for å modellere oppførselen, egenskapene og prinsippene bak kraftoverføringen som skjer når en jordnagle brukes i skråningsstabilisering. Den best egnede modelleringsmetoden er å bruke \say{embedded beam - element } i PLAXIS 2D. Embedded beam elementet er programmert slik at det både har en kontaktflate som simuler kraftoverføringen mellom jord og nagle og en materialoppførsel som simulerer kapasiteten i armeringsstålet.

Resultater fra litteraturstudiet ble anvendt i numerisk analyse ved bruk av PLAXIS 2D for å undersøke effekten av jordnagling som stabiliseringsmetode i to prosjektcaser. Resultater fra beregningene viser at når jordnagler er ankret til berg er metoden som bruker node-to-node ankere godt egnet. Men litteraturen viser at bruk av node-to-node ankere alene for å modellere jordnagler gir en urealistisk kapasitet til naglene. Bruk av metoden med geogrid og interface-element rundt geogridet er en lite egnet metode. Den reduserte styrken i kontaktflaten, som kommer av at man overfører en 3D overflate til et 2D plant element gjør at naglene modellert med denne metoden heller virker destabiliserene enn stabiliserende på skråningen. Metoden med å anvende embedded beam element for å modellere jordnaglen er i følge litteraturen den beste egnede. Resultater fra beregningen viser at det kreves lang forankringslengde for at modellen skal klare å oppnå tilstrekkelig sikkerhet. Det kan konkluderes basert på resultatene fra analysene og litteraturen at de gitte geometriske parameterne for prosjektcase 2 ikke er helt optimalt med tanke på skråningsstabiliteten. Resultater fra beregningen for prosjektcase 1 i PLAXIS 2D gir verdier som ser ut til å stemme med tidligere utførte studier og feltmålinger.

The need for slope stabilization has increased dramatically in recent times - the Norwegian road networks are being developed and expanded, and this often requires the terrain to be adapted to the road; natural slopes become unstable due to changed environmental conditions and older support structures require maintenance and reinforcement. Soil nailing has proven to be an effective and economical method of solving such problems if the right soil conditions are present. There is a common agreement in research communities about the principles behind soil nailing and that soil nailing is an effective method for slope stabilization. The phases prior to the actual construction of the support structure: calculation principles, method for stability analysis and parameter selection, on the other hand, do not appear to be entirely in agreement. Traditionally, scoring stability has been assessed using the principle of limit equilibrium (LEM), but in recent times it has become more and more common to use finite element method (FEM) programs for this. Research in the field has therefore in recent times largely focused on stability analysis using the FEM method and especially FEM hardware software. But there are few clear and distinct recommendations and procedures for how to model soil nails in PLAXIS 2D. A literature study has been carried out to investigate what the literature says about soil nailing and what methods the research uses in modeling soil nails. Results from the literature show that there are three methods for modeling the behavior, properties and principles behind the power transmission that occurs when a soil nail is used in slope stabilization. The most suitable modeling method is to use “embedded beam element” in PLAXIS 2D. The embedded beam element is programmed so that it has both a contact surface that simulates the force transfer between soil and rivets and a material behavior that simulates the capacity of the reinforcing steel. Results from the literature study were used in numerical analysis using PLAXIS 2D to investigate the effect of soil nailing as a stabilization method in two project cases. Results from the calculations show that when soil nails are anchored to rock, the method that uses node-to-node anchors is well suited. But the literature shows that the use of node-to-node anchors alone to model ground nails gives an unrealistic capacity to the nails. Use of the geogrid and interface method element around the geogrid is an unsuitable method. The reduced strength of the contact surface, which comes from transferring a 3D surface to a 2D flat element, means that the nails modelled with this method have a more destabilizing effect than stabilizing the slope. The method of using embedded beam element to model the soil nail is according to the literature the most suitable. Results from the calculation show that a long anchoring length is required for the model to be able to achieve sufficient safety. It can be concluded based on the results from the analyzes and the literature that the given geometric parameters for project case 2 are not fully optimal with regard to the slope stability. Results from the calculation for project case 1 PLAXIS 2D give values that seem to agree with previously performed studies and field measurements.