Semi-coupled steady seepage and static deformation analysis of geomechanical problems using the hybrid Voronoi cell finite element method

Brandon Karchewski, Dieter Stolle, Peijun Guo

Dans les comptes rendus d’articles de la conférence: GeoNiagara 2021: 74th Canadian Geotechnical Conference; 14th joint with IAH-CNC

RÉSUMÉ: L'analyse du comportement hydromécanique couplé des sols est importante en géotechnique où la prédiction précise de la pression interstitielle, du flux d'infiltration, de la contrainte effective et du déplacement est également importante. La modélisation entièrement couplée est coûteuse en calcul en raison de la nature non linéaire des équations gouvernantes. La modélisation semi-couplée offre une alternative plus pratique pour les cas où la pression du fluide influence les contraintes dans la phase solide, mais l'effet de la déformation solide sur la pression du fluide est négligeable. Nous présentons une formulation de la méthode des éléments finis par cellules Voronoi hybrides (VCFEM) qui améliore la précision du flux d'infiltration et de la contrainte en prenant la charge hydraulique, le flux d'infiltration, le déplacement solide et la contrainte effective comme variables primaires. L'analyse VCFEM satisfait à la fois le bilan de masse et l'équilibre des contraintes dans le domaine d'un élément, fournissant des flux d'infiltration plus lisses et des distributions de champ de contraintes sans post-traitement supplémentaire. Nous démontrons brièvement les performances de la formulation VCFEM sur un problème d'analyse de barrage.

ABSTRACT: Analysis of coupled hydromechanical behaviour of soils is important in geotechnical engineering for accurate prediction of pore pressure, seepage flux, effective stress, and displacement. Fully coupled modelling is computationally expensive owing to the nonlinear nature of the governing equations. Semi-coupled modelling offers a more practical alternative for cases where the fluid pressure influences the stresses in the solid phase, but the effect of solid deformation on fluid pressure is negligible. We present a hybrid Voronoi cell finite element method (VCFEM) formulation that improves the accuracy of seepage flux and stress by taking hydraulic head, seepage flux, solid displacement, and effective stress as primary variables. The VCFEM analysis satisfies both mass balance and stress equilibrium in the domain of an element, providing smoother seepage flux and stress field distributions without additional post-processing. We briefly demonstrate the performance of the VCFEM formulation on a dam analysis problem.

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