Comparative study of numerical formulations developed for constitutive modeling of static and dynamic behavior of saturated sands: A newly proposed hardening law

Günümüze kadar pek çok çalışma kumların bünyedavranışlarını modellemek üzere teoriler önermiş, klasik deneylerle bu teorilerbelli ölçüde doğrulanmıştır. Kumların gözlenen tipik gerilme-şekil değiştirme davranışınıyakalayabilen teoriler, sonrasında geliştirilen sayısal yazılımlara aktarılarakbirçok geoteknik mühendisliği probleminin çözümünde kullanılmıştır. Bu hedeftenuzaklaşmadan, halen yeni modeller geliştirilmekte, kaydedilen ilerlemeler dahaçok ilgili sayısal formülasyonların en efektif nasıl integre edileceği ya da engeniş yelpazede zemin davranışının daha az model parametresiyle nasılmodelleneceğine odaklanmaktadır. Bu çalışmada suya doygun kumların statik vedinamik davranışları teorik olarak modellenmiştir. Genelleştirilmiş PlastisiteTeorisi kapsamında, modelde kullanılan bir akma ve potansiyel yüzeyiyle yapılananalizler, hiçbir yüzey tanımı yapmadan alınan analiz sonuçlarıylakarşılaştırılmıştır. Kumlarda elastik ve plastik davranışları ayıran ve plastikdeformasyonların hesabında kullanılan yüzey fonksiyonlarına olan ihtiyaç buradasorgulanmıştır. Çalışmada önce kum zeminin plastik davranışı birim vektörlerle hesaplanmıştır.Ardından birim vektörlerin integrasyonu ile akma yüzeyi ve potansiyelfonksiyonu çıkartılmış, zemine ait bünye ilişkileri, üç eksenli deneysimülasyonlarıyla, iki farklı formülasyon için karşılaştırmalı olaraksunulmuştur. Çalışmanın ikinci bölümünde, yüzey tanımlı formülasyonda kullanmaküzere yeni bir pekleşme kuralı geliştirilmiştir. Beraberinde önerilen yeni birinterpolasyon kuralı ile de plastik yükleme modülü güncellenmiş ve gevşekkumların sıvılaşma davranışı yeniden modellenmiştir. Model sonuçları mevcut statikve dinamik üç eksenli deneylerle doğrulanmıştır.
To date, many studies have proposed theories to modelthe load-induced behavior of sands which have been verified, to some extent, byclassical experiments. Theories that can capture the typical stress-strain relationshipof sands were then transferred into numerical softwares used in the solution ofmany geotechnical engineering problems. Without ever moving on from this goal,new models are still being developed, and the progress that has been made thusfar now focuses more on how to integrate relevant numerical formulations in themost effective manner or to model the broadest range of soil behavior withfewer model parameters. In this study, the static and dynamic constitutive behaviorsof saturated sands are modeled. Within the scope of the Generalized PlasticityTheory, analyses conducted by using a flow and a potential surface in the modelare compared with the results obtained without any reference to a surfacedefinition. The need for including such surface functions, which distinguishes theelastic behavior from that of the plastic behavior of sands and which are usedto calculate plastic deformations, is questioned here. In this research,firstly the unit vectors for loading and plastic flow directions are definedand the static and dynamic behaviors of sands are calculated. Then, yield andpotential surfaces are derived by integrating these unit vectors and theconstitutive relations of sand are presented comparatively for the twoformulations in terms of a number of triaxial test simulations. In the secondpart of the study, a new hardening law is proposed to be utilized within theformulation with the surface definitions. The plastic loading modulus is also updatedwith a newly proposed kinematic interpolation rule and the liquefactionbehavior of loose sands is remodeled. The model results are subsequentlyverified with the static and dynamic triaxial tests.