Proceedings of the 5th International Conference on Transportation Geotechnics (ICTG) 2024, Volume 6
Fundamentals of Road, Rail, and Harbour Geotechnics
- 2025
- Buch
- Herausgegeben von
- Cholachat Rujikiatkamjorn
- Jianfeng Xue
- Buddhima Indraratna
- Buchreihe
- Lecture Notes in Civil Engineering
- Verlag
- Springer Nature Singapore
Über dieses Buch
Dieses Buch präsentiert ausgewählte Beiträge der 5. Internationalen Konferenz für Transportgeotechnik (ICTG 2024). Es enthält Aufsätze über Methoden zur Bodenverbesserung, die Dynamik der Verkehrsinfrastruktur und geotechnische Feinheiten von Großprojekten. Es behandelt Themen wie unterirdische Transportsysteme und die Höhe von Flugplätzen und Bürgersteigen. Dieses Buch diskutiert unterschiedliche thematische Landschaften und bietet profunde Erkundungen in Sensortechnologien, Datenanalyse und maschinellen Lernanwendungen. Die Publikation beleuchtet fortgeschrittene Verfahren, neueste Entwicklungen und Bemühungen zur Förderung von Zusammenarbeit, Innovation und nachhaltigen Lösungen für die weltweite Verkehrsinfrastruktur. Das Buch kann eine wertvolle Referenz für Forscher und Fachleute sein, die sich für Transportgeotechnik interessieren.
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Über dieses Buch
This book presents select proceedings of the 5th International Conference on Transportation Geotechnics (ICTG 2024). It includes papers on ground improvement methodologies, dynamics of transportation infrastructure, and geotechnical intricacies of mega projects. It covers topics such as underground transportation systems and heights of airfields and pavements. This book discusses diverse thematic landscapes, offering profound explorations into sensor technologies, data analytics, and machine learning applications. The publication highlights advanced practices, latest developments, and efforts to foster collaboration, innovation, and sustainable solutions for transportation infrastructure worldwide. The book can be a valuable reference for researchers and professionals interested in transportation geotechnics.
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Inhaltsverzeichnis
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Frontmatter
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A Coupled CFD-DEM Approach to Examine Clogging Behaviour of Granular Medium by Fines
Thao Doan, Buddhima Indraratna, Thanh T. Nguyen, Cholachat RujikiatkamjornDas Kapitel vertieft sich in das komplexe Problem der Verstopfung von Steinsäulen, die verwendet werden, um weiche Bodenfundamente zu verbessern. Es führt einen gekoppelten CFD-DEM-Ansatz ein, um das Migrations- und Verstopfungsverhalten von Feinstoffen in körnigen Medien unter unterschiedlichen hydraulischen Gradienten zu untersuchen. Die Studie bestätigt die CFD-DEM-Ergebnisse gegen die Ergun-Gleichung und unterstreicht die entscheidende Rolle geometrischer Faktoren wie des Größenverhältnisses zwischen groben und feinen Partikeln bei der Kontrolle der Verstopfung. Die Forschung liefert wertvolle Erkenntnisse über die örtliche Verteilung von Geldstrafen und bietet praktische Implikationen für das Management von Verstopfungsproblemen in geotechnischen Strukturen.KI-Generiert
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AbstractClogging is one of the prevalent problems that cause severe damage in the performance, functionality and longevity of granular medium used in geotechnical structures such as filters and stone columns. Despite the growing interest in clogging phenomena, there is a limited number of studies investigating the microscale mechanisms of clogging when fines are flowing into the porous medium under the influence of fluid flow. In this respect, this study aims to employ an advanced numerical approach where the discrete element method (DEM) to model discrete soil particles is combined with computational fluid dynamics (CFD) to model fluid flow governed by Navier–Stokes equations. The numerical results show different patterns of migration and accumulation of fine particles in the given porous media (i.e., stone column) depending on the associated properties of soil and fluid. A set of critical factors that control the clogging potential are also investigated in detail including the influence of hydraulic gradient and characteristics of coarse medium such as its particle sizes. The innovation of this study is the exploration of the micromechanics of clogging, which has not been addressed thoroughly before. -
Effect of Principal Stress Rotation on Plastic Strain Accumulation in Granular Materials
Sajjad Vaseghi, Daichao Sheng, Jayantha Kodikara, Hadi KhabbazDas Kapitel geht der kritischen Rolle von körnigen Materialien in Straßenbelägen und den Herausforderungen nach, die ihre Verformung unter Verkehrsbelastung mit sich bringt. Es wird diskutiert, wie wichtig es ist, sowohl belastbare als auch dauerhafte Verformungen zu verstehen, um das Verhalten von Gehwegen vorherzusagen. Die Studie konzentriert sich auf die Auswirkungen der prinzipiellen Stressrotation (PSR), die durch bewegliche Räder hervorgerufen wird, wodurch komplexe Stresspfade in Bodenelementen entstehen. Anhand eines Hohlzylinderapparates untersucht die Forschung die Auswirkungen von PSR auf die Akkumulation von Kunststoffen in ungebundenen körnigen Materialien. Die Ergebnisse zeigen, dass PSR dauerhafte Deformationen signifikant verstärkt, was die Notwendigkeit unterstreicht, diese Effekte in Methoden zur Gestaltung von Straßenbelägen zu integrieren. Die Forschungsergebnisse unterstreichen auch die Grenzen aktueller Laborprüfmethoden bei der Erfassung des vollen Ausmaßes der Akkumulation von Plastikbelastungen. Diese Studie trägt dazu bei, das Verständnis des Verhaltens von Straßenbelägen zu verbessern und zuverlässigere Planungspraktiken im Straßenbau zu vermitteln.KI-Generiert
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AbstractUnbound granular materials (UGMs) are utilized in flexible pavements to serve mainly as subgrade materials, offering the necessary support for the imposed traffic loads. Although the likelihood of subgrade strength failure under traffic loads is minimal, its permanent deformation is more critical. The repeated load triaxial (RLT) test is a widely employed method for assessing the accumulated permanent deformation in unbound granular materials (UGMs) in their lifetime. Nevertheless, there have been challenges in establishing a direct correlation between the results obtained from RLT tests and the actual deformation measured in full-scale pavements. The primary reason for the disparity is the incapability of RLT-based designs to account for the rotation of principal stresses imposed by the application of shear stress coming from the movement of vehicles. In order to examine how the rotation of principal stress affects the formation of plastic strain in UGMs, various experiments were conducted in the present study. These experiments include different levels of cyclic stress ratio (CSR) and cyclic shear stress ratio (CSSR) using a hollow cylinder apparatus (HCA). The results obtained from the HCA tests were compared to those obtained from the RLT, and it was discovered that incorporating the principal stress rotation significantly amplified the permanent deformation of the unbound granular materials (UGMs). This indicates that incorporating the influence of principal stress rotation is essential for ensuring a proper and accurate design that can effectively address the deformation behavior of the pavement layers. -
Dem Study on the Dynamic Performance of a Fouled Ballasted Track Under Repeated Traffic Loading
Jing Chen, Buddhima Indraratna, Jayan S. Vinod, Ngoc Trung Ngo, Yangzepeng LiuDie Studie untersucht die dynamische Leistungsfähigkeit verdreckter Schotterpisten unter wiederholter Verkehrsbelastung und konzentriert sich dabei auf die Auswirkungen von Kohleverschmutzung auf die Verformung der Gleise und den Schotterabbau. Mithilfe von DEM-Modellen werden zyklische Verkehrsbelastungen auf repräsentativen Abschnitten von Schotterwegen simuliert, Schwellensanierung, Gleisbett-Elastizitätsmodul und Schotterteilchenbruch unter unterschiedlichen Bewuchswerten analysiert. Die mikromechanische Reaktion, einschließlich Koordinationsnummer und Interpartikelkontaktnetzwerk, wird ebenfalls untersucht, um die grundlegenden Mechanismen der Bewuchseffekte auf Schotterpisten zu verstehen. Die Ergebnisse zeigen, dass Kohleablagerungen die Schläferablagerung erhöhen und den Elastizitätsmodul von Gleisbetten verringern, während Schotterbruch durch einen "Beschichtungseffekt" abgemildert wird. Die Studie beleuchtet die kritische Tiefe der Schotterschäden und die anisotrope Verteilung der interpartikulären Kontaktkräfte und liefert wertvolle Erkenntnisse für Instandhaltungsstrategien im Eisenbahnbau.KI-Generiert
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AbstractThe fouling of ballast, resulting from upward intrusion of subgrade slurries, coal or other mineral ore dislodging from passing freight traffic, and the accumulation of debris among ballast grains, has been extensively reported as the primary cause for numerous disastrous railroad incidents. This paper presents a numerical study to examine the deformation and degradation responses of a coal-fouled ballasted track upon repeated traffic loading using the discrete element modeling (DEM). A particle degradation model considering Weibull statistics in tandem with a granular medium size effect is developed and employed to capture the continuous corner abrasion of angular ballast. The model had been calibrated by comparing the predicted shear stress–strain response with laboratory data obtained from large-scale direct shear testing. A series of cubical shear test simulations have been carried out to examine the dynamic performance of ballast assemblies with various coal fouling contents under cyclic loading. The results show that an increase in fouling content exacerbates the sleeper settlement, while decreasing the resilient modulus and the particle breakage in ballasted bed. Ballast beneath the sleeper experiences significant breakage compared to the crib ballast, and the extent of damage is mitigated with depth. Rigorous microscopic analysis is also presented in terms of interparticle contacts and contact network anisotropy of the ballast assembly. The micromechanical examinations show that the decrease in ballast breakage observed in fouled assemblies is predominantly attributed to the inevitable decrease in interparticle pressures as effected by the coating of ballast aggregates by the coal fines. -
Numerical Analysis for Ballasted Rail Tracks: Coupled DEM-FEM Approach
Trung Ngo, Buddhima IndraratnaIn diesem Kapitel wird die entscheidende Rolle von Schotterbahngleisen in der australischen Verkehrsinfrastruktur und die Herausforderungen untersucht, vor denen sie stehen, wie Schotterverschmutzung, Differentialablagerungen, Gleisverformungen sowie Lärm- und Vibrationsprobleme. Die Autoren präsentieren ein Jahrzehnt Forschungsergebnisse zur Erprobung und numerischen Modellierung von Vorschaltgeräten mittels der Diskrete-Elemente-Methode (DEM) und des gekoppelten DEM-FEM-Ansatzes. Großangelegte Labortests wurden mit einer dreiachsigen Apparatur durchgeführt, um zyklische Belastungsbedingungen zu simulieren und Erkenntnisse über Schotterverformung und -bruch zu gewinnen. Numerische Modellierungstechniken, einschließlich DEM und gekoppelte DEM-FEM-Simulationen, wurden eingesetzt, um das mikromechanische Verhalten von Ballast und seine Wechselwirkung mit dem Baugrund zu untersuchen. Das Kapitel hebt die Effektivität dieser Methoden bei der Vorhersage von Gleisverformungen und -stabilität hervor, insbesondere im Hinblick auf die Fallstudie Singleton Track. Die Ergebnisse zeigen das Potenzial der gekoppelten DEM-FEM-Analyse, wertvolle Erkenntnisse über das Gleisverhalten zu gewinnen und die Belastbarkeit und Langlebigkeit von Schottergleisen zu erhöhen.KI-Generiert
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AbstractBallasted tracks are essential for transporting goods and passengers between major urban areas and ports, but they suffer breakage, fouling and excessive deformation from repeated train loads. This study investigates the effect of loading and frequency on ballast deformation and degradation through lab tests and numerical modelling. A coupling model based on the finite element method and discrete element method is introduced to predict load-deformation behaviour. DEM represents ballast grains, while FEM models the subgrade, accounting for their interactions. The model is applied to analyze a Singleton, Australia track, with numerical results compared to field data for validation. -
Barrier Systems to Protect Critical Transportation Infrastructure from Impact-Induced Ground Vibrations
Abhinav Raj, Nitish Jauhari, Amarnath HegdeDas Kapitel konzentriert sich auf die kritische Frage des Schutzes der Verkehrsinfrastruktur vor aufprallbedingten Bodenschwingungen, die ein Nebenprodukt urbaner Expansion und industrieller Aktivitäten sind. Sie untersucht den Einsatz von Barrieresystemen, einschließlich offener und gefüllter Barrieren, um diese Vibrationen abzumildern. Die Studie hebt die Leistungsfähigkeit einzelner und doppelter Barrieren hervor, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf den wirtschaftlichen Vorteilen doppelter Barrieren liegt. Durch numerische Simulationen und parametrische Studien zeigt die Forschung die Effektivität dualer Barrieren bei der Reduzierung von Vibrationen mit weniger Tiefenanforderungen im Vergleich zu einzelnen Barrieren. Das Kapitel diskutiert auch die optimale Platzierung und Gestaltung dieser Barrieren, um ihre Effektivität beim Schutz der Transportinfrastruktur zu maximieren.KI-Generiert
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AbstractCritical transportation infrastructure includes the vast network of highways, railways, utilities, buildings and stations. The unwanted vibrations induced due to man-made activities, e.g. dynamic compaction, drop hammers and pile driving, propagate through the soil media and affect infrastructure amenities. Therefore, an attempt has been made in the current study to limit the propagation of these unwanted vibrations from reaching the critical infrastructure. The efficacy of the single and dual barriers constructed between the vibration source and the infrastructural amenities has been investigated using numerical techniques. A finite element model was developed using ABAQUS to simulate vibrations induced due to impact loads. The excitation force generated due to impact load was modelled as a pulse in the developed numerical model. Initially, the model was validated with the published literature and thereafter used to investigate the influence of the depth, width, location and number of barriers on the isolation efficacy. The results indicated that the depth of the barriers was the most influential parameter in mitigating the vibrations. The optimum depth and width for the single open barrier were observed as 1.0LR and 0.1LR, respectively, where LR is the Rayleigh wavelength. However, the depth requirement for the dual barriers was significantly lesser than the single barriers. The average amplitude reduction ratio for the dual open barriers of a depth of 0.4LR was recorded as low as 0.22. -
Numerical Modelling of Jointed Rock Foundation Under Heavy Haul Train Loading
Majid Jazebi, Buddhima Indraratna, Rakesh Sai Malisetty, Cholachat RujikiatkamjornDas Kapitel befasst sich mit dem komplexen Zusammenspiel zwischen Zuglasten und gefugten Felsfundamenten und konzentriert sich dabei auf die Sandsteinformationen an der Küste in der Nähe von Sydney, Australien. Es unterstreicht den Mangel an Feldstudien zu diesem Thema und führt eine praktische Methode ein, um Bartons und Choubeys Scherfestigkeitskriterien in numerische Modelle mittels FLAC zu integrieren. Diese Methode berücksichtigt die Wirkung normaler Beanspruchung und Rauheitskoeffizienten der Fuge, was eine genauere Simulation des Gelenkverhaltens unter dynamischen Zugbelastungen ermöglicht. Die Studie präsentiert Konturdiagramme zur Visualisierung von Schwankungen der normalen Belastung und scheinbaren Reibungswinkeln entlang der Verbindung und zeigt den Einfluss der Zugbewegung auf diese Parameter. Der in diesem Kapitel angebotene einzigartige Ansatz liefert wertvolle Erkenntnisse zur Senkung der Wartungskosten und Verlängerung der Lebensdauer von Eisenbahnen, die auf gefugten Felsformationen gebaut werden.KI-Generiert
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AbstractRailways are an important lifeline for mining and industrial based economy such as Australia. Railway tracks traverse a number of difficult terrains across the country such as jointed sandstone rock formations near Sydney region. In an economic point of view, it is necessary to reduce maintenance costs and improve the life span of railway tracks built on fractured or jointed sandstone. To address this issue, a numerical model is developed to simulate the behaviour of jointed rock under the passage of heavy-haul trains using FLAC 3D, and the response of a single joint under a moving axle load was simulated for simplicity. In this study, Barton and Choubey’s method for estimating shear strength of a rock joint was incorporated alongside the existing Coulomb frictional interface in FLAC 3D. The proposed method provides a practical approach to improve the Coulomb frictional interface by including Joint Roughness Coefficient. Further, this method also simulates the evolution of shear and normal stresses distinctly at different locations on the joint surface under train passage. Under a heavy haul train passage, the contours depicting normal stress and the related apparent friction angle are presented. -
Molecular Dynamics Study on the Effect of Temperature and Water Content to the Mechanical Properties of Na-Montmorillonite
Bonan Li, Yilin Gui, Miao YuDas Kapitel befasst sich mit der molekulardynamischen Untersuchung von Na-Montmorillonit (Na-MMT) und konzentriert sich dabei auf den Einfluss von Temperatur und Wassergehalt auf seine mechanischen Eigenschaften. Zunächst werden Struktur und Eigenschaften von Na-MMT vorgestellt und ihre Bedeutung für verschiedene technische Anwendungen hervorgehoben. Die Studie nutzt fortschrittliche molekulardynamische Simulationstechniken, um die mechanischen Eigenschaften von Na-MMT unter unterschiedlichen Temperatur- und Hydratationsbedingungen vorherzusagen. Die Ergebnisse zeigen, dass Temperatur und Wassergehalt die potenzielle Energie, das Volumen und die Dichte von Na-MMT signifikant beeinflussen. Die Studie untersucht auch das anisotrope Verhalten von Na-MMT unter Druck und zeigt deutliche Tendenzen bei der Belastung in unterschiedliche Richtungen. Die Ergebnisse liefern wertvolle Einblicke in das mikroskopische Verhalten von Na-MMT und tragen zu einem tieferen Verständnis seiner mechanischen Eigenschaften auf atomarer Ebene bei.KI-Generiert
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AbstractSodium montmorillonite (Na-MMT) is the predominant active mineral in clays. It is very sensitive to environmental factors, especially changes in temperature and moisture content. However, there is a lack of comprehensive studies on how temperature and moisture content affect the structural properties of Na-MMT on a microscopic scale. In this study, molecular dynamics (MD) simulations were used to analyse the structural and micromechanical behaviour of Na-MMT. The aim is to investigate how different temperatures (from 200 to 700 K) and water contents (10, 20 and 30%) affect the mechanical properties of Na-MMT. The simulation results highlight several key points: (1) The movement and behaviour of water molecules change significantly due to the temperature increase, leading to interlayer swelling, which reduces the mechanical properties. (2) Na-MMT exhibits anisotropy, with mechanical properties in the y-direction being superior to those in the x and z directions with increasing temperature and water content. (3) It was found that the higher the degree of hydration, the worse the mechanical properties of Na-MMT, which is consistent with observations in practical engineering applications. This study deepens the understanding of the microscopic characteristics of Na-MMT and further investigates the microstructural changes associated with the swelling mechanism of bentonite. -
A New Update Criteria of Verlet List for Geotechnical Dense Granular Materials Under Periodic Loading
Shuchen Wang, Longlong Fu, Yongjia Qiu, Haonan Xi, Shunhua ZhouDas Kapitel führt ein neues Aktualisierungskriterium für die Verlet-Liste in DEM-Simulationen ein, wobei der Schwerpunkt auf geotechnisch dicht granulierten Materialien liegt, die periodisch belastet werden. Herkömmliche Methoden führen häufig zu häufigen und unnötigen Aktualisierungen, die rechnerisch teuer sind. Die neuen Kriterien verwenden die maximale Verschiebung von Partikeln in lokalen Partikelkoordinaten, um festzustellen, wann Aktualisierungen erforderlich sind, was die Anzahl der Aktualisierungen deutlich verringert und die Gesamteffizienz der Berechnungen verbessert. Die Wirksamkeit dieses neuen Kriteriums wird anhand eines numerischen Beispiels eines Ballastbetts unter regelmäßiger Belastung demonstriert, wo es eine Verringerung der Aktualisierungen um 57,78% und eine Verbesserung der Recheneffizienz um 10,5% aufweist. Das Kapitel unterstreicht auch die Bedeutung der Berücksichtigung lokaler Partikelverdrängungsmuster unter periodischer Belastung, die zu effizienteren und genaueren DEM-Simulationen führen können.KI-Generiert
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AbstractDiscrete element method (DEM) based on graphic processing unit (GPU) is widely employed for investigating the responses of geotechnical dense granular materials under periodic or traffic loading. In most conventional GPU-based DEM, the maximum displacement of particles in the global coordinate system is considered as the criteria for updating Verlet list. Once the displacement exceeds the specified threshold, the Verlet list is updated. Although the particles experience considerable quasi-periodic displacement under periodic loading, the potential contact targets for most particles will not change during quite a few loading cycles. As a result, data between central processing unit (CPU) and GPU is transferred with an over-demanded high frequency and thus restrict the computational efficiency. In this study, we propose a criteria to improve the updates of Verlet list, in which the maximum displacement of particles in local particle coordinates system is used as the update criteria. The improved update criteria is plugged in the open source DEM software MUSEN. Then by simulating a previous laboratory full-scale half-sleeper model test, the performance of the proposed criteria is testified. The results show that the application of the proposed update criteria has no significant influence on the multi-scale responses of the ballast bed. Meanwhile, unnecessary updates of Verlet list resulting from only overall displacement of particles are effectively decreased. This indicates a potential way to improve the computational efficiency in GPU-based DEM for geotechnical dense granular materials under periodic loading. -
Effect of Train-Induced Ground Vibrations on Liquefiable Soils
Farbod Yarmohammadi, Katherina Ziotopoulou, Kostas LontzetidisDas Kapitel geht den Auswirkungen von durch den Zug verursachten Bodenschwingungen auf verflüssigbare Böden nach, ein kritisches Thema im Eisenbahnbau. Mithilfe eines vollständig gekoppelten dynamischen Finite-Elemente-Modells, das in der PLAXIS-Software implementiert ist, und des PM4Sand-Grundmodells untersucht die Studie, wie unterschiedliche Zuggeschwindigkeiten die Erzeugung von überschüssigem Porenwasserdruck in losen gesättigten Sanden beeinflussen. Die Ergebnisse verdeutlichen das Potenzial für erhebliche Siedlungen und vorübergehende Tragfähigkeitsverluste und unterstreichen die Notwendigkeit gründlicher Verflüssigungsanalysen in der Eisenbahnkonstruktion. Das Kapitel bietet einen umfassenden Einblick in den numerischen Modellierungsansatz, das Bodenmodell, die Zugbelastung und die Ergebnisse und liefert den Ingenieuren wesentliche Daten, um potenzielle Bodenversagen in Eisenbahnsystemen abzumildern.KI-Generiert
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AbstractRapid development of railway transportation in recent years has brought attention to the potential problems caused by train-induced vibrations. These problems include damaging the tracks, shaking and cracking the nearby buildings, and damaging the sensitive apparatus and therefore must be addressed when designing the railways. Another potential problem caused by the train-induced vibrations is the increase in the pore water pressures in the loose sandy layers located under the tracks. These excess pore pressures can potentially cause differential settlements in the underlying soil through different mechanisms and damage the railway system. This paper presents the results of finite element modellings developed in PLAXIS software studying this problem. PM4Sand constitutive model is used to capture the response of the loose sandy layer to the train-induced cyclic loads. Different train speeds are considered in the numerical simulations to study the effects of the frequency contents of the dynamic loads on the soil response. Additionally, the effect of the ground profile, including the depth, thickness, and relative density of the loose sand, is also investigated. The results of this study aim to help the researchers and engineers to better understand the problem and design the railway subgrade accordingly to reduce the long-term maintenance costs of the railway system. -
Performance of Bounding Surface Plasticity in the Prediction of Progressive Soil Deformation in Integral Bridge Approaches
M. S. K. Hassan, D. S. Liyanapathirana, W. Fuentes, C. J. Leo, P. HuDas Kapitel untersucht die Leistung von Grenzflächenplastizitätsmodellen, insbesondere des DM04-Modells, bei der Vorhersage progressiver Bodendeformationen in integralen Brückenansätzen. Integrale Brücken, die so konstruiert sind, dass sie wartungsintensive Fugen beseitigen, stehen vor Herausforderungen aufgrund zyklischer Wechselwirkungen zwischen Boden und Struktur, die durch thermische Unterschiede verursacht werden. Die Studie vergleicht das DM04-Modell mit dem Mohr-Coulomb-Modell und hebt die Fähigkeit des DM04-Modells hervor, die seitliche Spannungsratsche und die Verformung des Verfüllmaterials genauer zu erfassen. Allerdings werden auch Unstimmigkeiten in den Siedlungsprognosen festgestellt, was auf die Notwendigkeit weiterer Untersuchungen anderer konstitutiver Modelle und die Einbeziehung sowohl jährlicher als auch tageszeitlicher Zyklen in zukünftige Studien hindeutet.KI-Generiert
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AbstractThe structural continuity of integral bridges has resulted in a long-term, cyclic interaction with the approach backfills leading to two crucial geotechnical consequences, passive lateral stress accumulation, and progressive soil deformation. To investigate these phenomena, numerical methods have been commonly used. However, it is apparent that a majority of utilized techniques are unable to capture the critical facets involved with cyclic loading conditions. Hence, this study presents a comparison of the performance of the widely utilized Mohr–Coulomb (MC) model to that of the bounding surface model proposed by Dafalias and Manzari in 2004 (DM04). Evaluations are made against settlement and lateral pressure data from a scaled physical model of an integral abutment. Results indicate that the MC model is an inappropriate choice, being unable to capture the accumulation of stresses and plastic strains. The DM04 model can reasonably simulate the stress ratcheting response. The propagation of the settlement trough is adequately predicted, particularly at latter cycles. However, the variation in the rate of change of maximum settlements with the progression of cycles is anomalous from typical behavior. -
A Coupled Flow Deformation Model for Expansive Soil with Temperature Change
Miao Yu, Yilin Gui, Les Dawes, Maziar Gholami Korzani, Bonan LiDas Kapitel befasst sich mit dem komplizierten Verhalten ausgedehnter Böden unter Temperaturänderungen, ein Thema, das in modernen geotechnischen Strukturen von zunehmender Bedeutung ist. Zunächst werden die einzigartigen hydromechanischen Eigenschaften ausgedehnter Böden aufgrund von Feuchtigkeitsänderungen und das aufkommende Interesse an ihren thermischen Auswirkungen hervorgehoben. Die Autoren schlagen dann ein rigoroses konstitutives Modell vor, das auf der Theorie der Beschränkung der Plastizität von Oberflächen beruht und die Komplexität bestehender Modelle vereinfacht. Dieses Modell berücksichtigt das temperaturabhängige Verformungsverhalten expansiver Böden und wird durch Simulationen temperaturgesteuerter Tests validiert. Das Kapitel behandelt auch das Prinzip des effektiven Stresses und seine Anwendung auf ungesättigte expansive Böden, wobei ein neuer Lufteintrittswert eingeführt wird, um Temperatureffekte zu berücksichtigen. Die Leistung des Modells wird durch Vergleiche mit experimentellen Daten nachgewiesen, die eine hervorragende Übereinstimmung zeigen. Insgesamt bietet dieses Kapitel einen grundlegenden Rahmen für zukünftige Untersuchungen des gekoppelten thermo-hydromechanischen Verhaltens ausgedehnter Böden und macht es zu einer wertvollen Ressource für Fachleute auf diesem Gebiet.KI-Generiert
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AbstractExpansive soils exhibit significant volume change when experiencing variation of temperature or moisture change. However, previous constitutive models on expansive soil mainly focus on hydraulic conditions, less attention on thermal field. This study delves into the thermo-hydro-mechanical behavior of expansive soils, crucial for applications such as nuclear waste disposal and thermal energy storage. A novel constitutive model, extended from bounding surface plasticity theory, is introduced to simulate the expansive soil behavior under various temperatures. A new approach on effective stress principle considering the effect of temperature is proposed. In this model, changes on suction and temperature are considered, which are in response to mechanical behaviors. Validated by temperature-controlled tests from (Tang et al. in Géotechnique 58:45–54 [1]), the proposed model shows potential in understanding the complex coupling of thermal, hydraulic, and mechanical processes in expansive soils, especially in cyclic environmental conditions. -
Three-Dimensional Finite Element Modelling of Sealed and Unsealed Roads Considering Effects of Moving Wheel Loads
Piyush Punetha, Sanjay NimbalkarDas Kapitel befasst sich mit der komplexen Leistungsfähigkeit flexibler Bürgersteige, die beweglichen Fahrzeuglasten ausgesetzt sind, und beleuchtet die Grenzen traditioneller 2D-Finite-Elemente-Methoden. Es führt die 3D-Finite-Elemente-Modellierung als praktikable Option zur Beurteilung der geotechnischen Eigenschaften sowohl versiegelter als auch unversiegelter Straßen ein. Die Studie simuliert die tatsächliche Radübersetzung und das Kontaktverhalten zwischen Reifen und Bürgersteig und überprüft die Genauigkeit der Ergebnisse durch Vergleiche mit der Software CIRCLY. Eine parametrische Analyse wird durchgeführt, um die Empfindlichkeit der kritischen Reaktion der Pflasterbeläge auf Schwankungen des Elastikmoduls der Tragschicht, der Tragschicht und der Unterschicht zu bewerten. Die Ergebnisse zeigen die Effektivität der 3D-FE-Methode bei der Beurteilung der kritischen Reaktionen von Straßen unter beweglichen Lasten, die für ihre Entwurfsoptimierung von entscheidender Bedeutung ist. Das Kapitel bietet wertvolle Einblicke in die Spannungsverteilung und Sensibilität von Fahrbahnschichten und trägt zur Gestaltung und Instandhaltung einer robusten Straßeninfrastruktur bei.KI-Generiert
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AbstractAccurate simulation of the response of sealed and unsealed roads to moving wheel loads is essential for improving the current understanding of their behaviour. A proper evaluation of the stress distribution within different pavement layers under moving loads is essential for their appropriate design. This article presents the findings of three-dimensional (3D) finite element (FE) analyses carried out on sealed and unsealed roads, taking into account the effects of moving wheel loads. A parametric study is conducted to investigate the influence of variables, such as the elastic modulus of pavement layers, on the performance of both sealed and unsealed roads. The results reveal that the peak values of vertical stress at the subgrade top under moving wheel load are more sensitive to the base modulus for the unsealed road than the sealed roads, which is due to the structural difference between the two road types. The results predicted using FE models are also compared with those from the approach commonly used by practising engineers. The findings from this study demonstrate the capability of 3D FE method in evaluating critical responses of sealed and unsealed roads under moving wheel loads, which are crucial for optimising their design. -
Application of an Advanced Constitutive Model for Shakedown Analysis in Unbound Pavements
Liuxin Chen, Javad Ghorbani, Troyee Tanu Dutta, Arooran Sounthararajah, Arjoon Moses Jesudasan, Jayantha KodikaraDas Kapitel untersucht die Herausforderungen, vor denen unbefestigte, körnige Gehwege stehen, insbesondere Brunnen, und wie der Klimawandel diese Probleme verschärft. Er führt den CRST-Test als überlegene Methode zur Simulation realer Stressbedingungen im Vergleich zum traditionellen RLT-Test ein. Die Studie wendet ein fortschrittliches konstitutives Modell an, um den CRST-Test präzise zu simulieren und komplexe hydromechanische Verhaltensweisen und Restspannungen zu erfassen. Die Effektivität des Modells wird durch Vergleiche mit experimentellen Daten demonstriert und zeigt seine Fähigkeit, Shakedown-Phänomene in ungesättigten körnigen Böden präzise vorherzusagen. Diese Forschungen bereiten den Boden für zukünftige Untersuchungen des Verhaltens von Pflastermaterialien unter Betriebsbedingungen.KI-Generiert
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AbstractThis study uses a cutting-edge constitutive model for analysing shakedown phenomena in unsaturated granular soils commonly used in lightly and moderately trafficked pavements. The primary source of structural support in these pavements comes from granular soils used in the subbase and the subgrade soil. This highlights the crucial role of accurately evaluating their mechanical properties for optimum design and use of materials. Our model successfully captures material kinematic hardening with memory and provides more accurate simulations of the hydro-mechanical shakedown in these soils under millions of load cycles. The model also addresses some key computational challenges associated with a large number of load cycles, such as potential numerical instability and a significant loss of accuracy. The model’s capabilities are showcased, highlighting its proficiency in simulating soil plastic deformations. This is particularly demonstrated in a novel laboratory test, the constant radial stiffness triaxial (CRST) test, designed to mimic traffic loading on unbound pavements. It is argued that this test better simulates the stress path encountered by road materials under moving traffic loads in the field than the traditional repeated load triaxial (RLT) test. -
Performance Assessment of Existing Railway Track Subjected to Varying Train Speed
Sujitha Soundararajan, Prishati Raychowdhury, Sanjay NimbalkarDas Kapitel präsentiert eine umfassende Analyse der Leistung einer bestehenden Eisenbahnstrecke in Rohtak-Gohana, Indien, die unterschiedlichen Zuggeschwindigkeiten ausgesetzt ist. Er beleuchtet die kritischen Zonen der Strecke, wie Brückenanfahrten und Durchlässe, wo aufgrund abrupter Steifigkeitsschwankungen und Beschleunigungsverstärkungen eine differenzierte Abrechnung eintritt. Die Studie nutzt ein in PLAXIS V2023.2 entwickeltes 2D-Finite-Elemente-Modell, um das dynamische Verhalten des Gleises bei unterschiedlichen Zuggeschwindigkeiten zu simulieren. Die Analyse konzentriert sich auf die vertikale Verschiebung der Bahn- und Eisenbahnschwellen-Schnittstelle und zeigt, dass die Verschlechterung der Gleisverhältnisse mit höheren Zuggeschwindigkeiten zunimmt. Insbesondere die Übergangsplatten- und Durchlasszonen weisen aufgrund ihrer höheren Steifigkeit eine geringere Verdrängung auf. Das Kapitel schließt mit der Betonung der Bedeutung reibungsloser Übergänge und des Einflusses der Zuggeschwindigkeit auf die Gleisleistung und bietet wertvolle Erkenntnisse für Eisenbahningenieure und Infrastrukturplaner.KI-Generiert
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AbstractWith increasing population growth and rapid urbanization, a faster and heavier train network is being planned in India, aiming to reduce the travel time without compromising the passenger comfort. Since construction of new railway tracks for the intended high-speed trains involves economic, social, and other land acquisition related feasibility issues. Therefore, it is preferable to evaluate the existing tracks and recommend possible upgrades as a solution, given the aforementioned factors. The major objective of this study is to evaluate the performance of the existing railway track in terms of differential settlement when subjected to trains moving at varying speeds. The significance of varying speed of train is to assess the response of the track to accommodate mixed traffic conditions and high-speed trains. A two-dimensional finite element model has been developed in PLAXIS to simulate the rail-track-subgrade system subjected to the moving load. A full-scale rail-track in Rohtak-Gohana line located in the Northwestern region of India is considered as a case study for evaluation of the train-track system for varying train speeds. The developed model is validated with the field data available from the literature. The results show that the vertical settlement of the track gradually reduces with the inclusion of transition slab as the train moves from softer side to stiffer side. Furthermore, the densely compacted embankment shows a similar trend of vertical rail displacement for varying speed of the train. -
Static and Dynamic Responses of Geosynthetic-Reinforced and Pile-Supported Embankment of High-Speed Railway
Shun Liu, Xuecheng Bian, Chuang ZhaoDas Kapitel geht den statischen und dynamischen Reaktionen von geosynthetisch verstärkten und pfahlgestützten Böschungen in Hochgeschwindigkeitsbahnsystemen nach. Er beleuchtet die Unterschiede im Bogengebogenverhalten unter statischen und dynamischen Belastungen, wobei der Schwerpunkt auf der Übertragung von Stresswellen und deren Auswirkungen auf die Pfahleffizienz liegt. Ein zweidimensionales Dehnungsmodell für Finite-Elemente wird entwickelt und durch Vergleich mit einem statischen Belastungstest validiert. Die Studie untersucht die Auswirkungen von Zuggeschwindigkeit, Bodensteifigkeit und Dammhöhe auf die Verteilung der Bodenspannungen und die Wirksamkeit der Pfähle und liefert wertvolle Erkenntnisse über das dynamische Verhalten dieser kritischen Infrastrukturelemente.KI-Generiert
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AbstractSoil arching plays a major role in geosynthetic-reinforced and pile-supported (GRPS) embankment by load transfer mechanism. For the purpose of understanding the static and dynamic behavior of GRPS embankment, a two-dimensional plane strain simplified finite element model (FEM) of pile-supported embankment was established to examine the soil stress distribution in depth and pile efficacy on the surface of piled foundation. Due to the transmission of stress waves, the distribution pattern of dynamic stress was different with that of static stress. Besides, stress waves were reflected greatly when they arrived at the surface of piled foundation, which caused the greater additional stress than that of static train loading, and the dynamic pile efficacy was smaller than the static pile efficacy. Factors of speed of moving train, elastic modulus of subsoil, and embankment height were examined and showed that the elastic modulus of subsoil was the most sensitive factor to pile efficacy, especially dynamic pile arching. Finally, the distribution pattern of dynamic stress in depth was determined by the height of superstructure of piled foundation. Below the critical height of embankment, the dynamic stress distribution was dominated by the reflection of stress waves, but, when the embankment height exceeded the critical height, the soil stress above the height of soil arching could be calculated by Boussinesq solution. -
Investigating the Impact of Autonomous Vehicles on Pavement Structures: A 3D Finite Element Simulation
Pratik Chaudhary, Sireesh SarideDie Studie untersucht die Auswirkungen autonomer Fahrzeuge (AVs) auf Gehwegstrukturen mittels 3D-Finite-Elemente-Simulation und konzentriert sich dabei auf die Auswirkungen von AV-Platooning bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Die Forschung zielt darauf ab, die Schäden auf dem Bürgersteig zu minimieren, indem verschiedene Szenarien und Geschwindigkeiten untersucht werden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Zuggruppe G3, die den Mittelstreifen meidet, Brunft- und Ermüdungsbelastungen im Vergleich zu anderen Gruppen deutlich reduziert. Die Studie hebt auch die größeren Auswirkungen von AVs mit geringerer Geschwindigkeit auf Fahrbahnkonstruktionen hervor und schlägt weitere Forschungsbereiche vor, um die Fahrbahnperformance unter AV-Verkehr zu optimieren.KI-Generiert
Diese Zusammenfassung des Fachinhalts wurde mit Hilfe von KI generiert.
AbstractAutonomous vehicles (AVs) have stepped up efforts to become the automobiles of the future. In terms of productivity, AVs are superior to human-driven vehicles (HVs). Current road infrastructure is believed to be unsuitable for AVs; autonomous vehicles may pose different challenges to pavement structures as they are not engineered to accommodate such novel classes of vehicles. Using a 3D finite element model, the present study simulates the wheel load movement of an autonomous vehicle attempting to maintain its position in the centre of a given lane for safety and fuel efficiency reasons. The 3D model adopts as single wide wheel and takes into account the influence of tyre contact width and the contact tyre pressure on the road with different numbers of wheel passages. The results discuss the influence of speed on the development of road damage stress and strains at 40 and 80 kmph. In addition, a platoon strategy is proposed to reduce pavement damage and improve roadway durability. -
Towards a New Soil Constitutive Model for Simulation of Road Barrier Piles
Fatemeh Safari Honar, Negin Yousefpour, Nelson T. K. Lam, Jude S. PereraDas Kapitel geht der entscheidenden Notwendigkeit einer präzisen Simulation der dynamischen Wechselwirkung zwischen Boden und Pfählen in Straßensperrsystemen nach und beleuchtet die Mängel aktueller Bodenmodelle bei der Erfassung von Dehnungsaufweichungs- und Dehnungsraten-Effekten. Es führt ein neues elasto-viskoplastisches Bodenkonstitutionsmodell ein, das sowohl durch Crashtest-Daten in vollem Umfang als auch durch triaxiale Testsimulationen in MATLAB validiert wurde. Dieses Modell adressiert die Beschränkungen bestehender Modelle wie FHWA, Jointed-Rock und Hysteretic, indem es fortschrittliche Formulierungen einbezieht, um das komplexe Verhalten dichter körniger Böden zu erfassen. Das vorgeschlagene Modell demonstriert überlegene Leistung bei der Simulation realistischen Bodenverhaltens bei Fahrzeugkollisionen und stellt einen bedeutenden Fortschritt im Bereich der Sicherheitstechnik am Straßenrand dar.KI-Generiert
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AbstractThe interaction between soil and pile is an important factor in the performance assessment of roadside piled-barrier systems under vehicle collision. Previous studies have primarily focused on the structural aspects of the system in numerical simulations of full-scale crash tests, failing to consider the effect of soil nonlinear behaviour on roadside barrier crashworthiness. In this study, we first evaluate commonly used soil constitutive models in LS-DYNA for full-scale crash simulations. The primary goal is to assess the suitability of these models for simulating piled barriers under impact, highlighting the limitations. In the second part of the paper, we propose a new soil constitutive model developed based on the Mohr–Coulomb and FHWA constitutive models. This model can effectively represent critical soil features, including strain softening and strain rate effects, essential for more accurate soil-pile simulation under impact. The proposed soil constitutive model is validated through a series of triaxial test results in element scale and will be further developed to be used in boundary-value simulations.
- Titel
- Proceedings of the 5th International Conference on Transportation Geotechnics (ICTG) 2024, Volume 6
- Herausgegeben von
-
Cholachat Rujikiatkamjorn
Jianfeng Xue
Buddhima Indraratna
- Copyright-Jahr
- 2025
- Verlag
- Springer Nature Singapore
- Electronic ISBN
- 978-981-9782-33-8
- Print ISBN
- 978-981-9782-32-1
- DOI
- https://doi.org/10.1007/978-981-97-8233-8
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