Implementation of random finite element method in Plaxis Using API / Python scripting

Abstract

Jordarter er komplekse av natur. Inhomogenitet gjør at de fysiske parametrene varierer i romlig forstand både vertikalt og horisontalt. Tradisjonelt har jordarters egenskaper blitt representert med en karakteristisk verdi, vanligvis et gjennomsnitt eller tilsvarende. I statistiske metoder er denne variabiliteten, eller usikkerheten, håndtert ved å behandle jordarten som en tilfeldig variabel fra en sannsynlighetsdistribusjon. Ved å anvende tilfeldig feltteori og statistikk kan man beskrive hvordan jordarter er distribuert i rommet og hvordan de varierer med distanse. I skråning stabilitet og bæreevne problemer har den romlige distribusjonen av jordart styrke en direkte invirkning på utviklingen av bruddmekanismen og derfor den overordnede stabiliteten. For å simulere stabilitet kan et endelig elementmetode program brukes med inndata i form av jordart parametre basert på statistisk korrelerte tilfeldige felt. Til å simulere variabilitet og usikkerhet repeteres modelleringen mange ganger med forskjellige tilfeldige felt. Dette er tilfeldig endelig elementmetode.

Dagens kommersielle jordarts modellerings dataprogrammer støtter ikke tilfeldig endelig elementmetode, og publisert forsknings kode har typisk ikke de avanserte jordarts modellene og brukervennlighet som kommersiell geoteknisk programvare. Men, siden tilfeldig endelig elementmetode ikke endrer på måten problemet er simulert på, det er bare inndataen som er endret, kan moderne programvare benyttes ved å ta kontroll over programvaren med automatisere generering av inndata og kjøre kalkulasjons repetisjoner i løkker. Plaxis, en moderne programvarepakke utviklet av Bently, har slike egenskaper gjennom applikasjonsgrensesnitt og Python script.

Denne masteroppgaven presenterer en metode for å kjøre tilfeldig endelig elementmetode i Plaxis geoteknisk programvare ved å bruke python applikasjonsgrensesnitt og demonstrerer allsidighet og verifikasjon av implementasjonen av tilfeldig endelig elementmetode på skråningsstabilitet og bæreevne problem. Oppgaven reproduserer og ekspanderer på resultat fra litteraturen. Implementasjonen er videre brukt til å undersøke formasjonsmekanikk og geometri av bruddflater i jordarter og demonstrer eksempel med full koblet deformasjon-strømning analyse.

Soil is a complex medium. Its inhomogeneous nature means that the physical parameters of soil vary spatially both vertically and laterally. Traditionally soil properties is modeled with a representative value, usually some kind of mean value or similar. In probabilistic methods, this variability, or uncertainty is taken into account by treating the soil as a random variable sampled from a probability distribution. By using random field theory and statistics one can try to describe how the soil parameters are distributed in space and how they vary with distance. In a slope stability or a bearing capacity problem, the spatial distribution of the soil strength governing parameters has a direct impact on the development of the failure surface, the failure mechanism and therefore the over all stability. To simulate stability a finite element program can be used with the soil model parameters input to the finite element mesh based on statistical spatial correlated random fields. To simulate variability and uncertainty, the modeling is repeated many times with different random fields. This is the random finite element method.

Current modern commercial soil modeling software do not support random finite element method, and published research random finite element software code do not have the advanced functionality and soil behaviour models as modern commercial geotechnical software. However, since the random finite element method does not change the way the problem is simulated, only the input parameters change, modern software packages can be used by automatically generating input data and running the calculation steps in loops. Plaxis, a modern software package developed by Bently, has capabilities like this through its application program interface and python scripting.

This thesis presents a method to run the random finite element method in Plaxis geotechnical software package using python API scripting interface, and demonstrate the versatility and verifies the validity of the implementation of the random finite element method on a slope stability and a bearing capacity problem. The thesis reproduce and expand on result from literature. It is further used to investigate the nature and geometry of failure mechanisms in soil and tries to demonstrate the power of fully coupled flow-deformation analysis.