Maaperän mallinnusmenetelmät

Abstract

Tämä työ on toteutettu kirjallisuuskatsauksena, jossa on esitelty maaperän mallinnusta. Käsiteltyjä menetelmiä ovat diskreetti elementtimenetelmä, elementtimenetelmä, partikkelimekaniikka ja hybridimenetelmä. Menetelmiä käsitellään kevyesti historian ja teorian osilta pääpainon ollessa sovelluskohteet. Työssä annetaan esimerkkejä yleisistä parametreistä ja mittauksesta. Vertailua tehdään menetelmien välillä, mutta hybridimenetelmän osalta vertailu keskittyy menetelmän sisäiseen sovellukseen.

Tulokset osoittavat elementtimenetelmän olevan yleisin käytetty menetelmä ja se toimii hyvin tilanteisiin missä maa käyttäytyy homogeenisenä aineena, eikä suuria muodonmuutoksia tapahdu. Diskreetti elementtimenetelmä soveltuu parhaiten mallintamaan radikaaleja muodonmuutoksia, murtuman jälkeistä käyttäytymistä ja isoja raekokoja. Diskreetti elementtimenetelmä vaatii kuitenkin isommissa tilanteissa erittäin paljon laskentatehoa, eikä sovellu ongelmiin, joissa mallin raja-arvoja halutaan määrittää. Partikkelimekaniikka on käsitellyistä menetelmistä kapein sovelluskohteiltaan, joita ovat leikkauskriittisien kohtien mallintaminen ja halkeamat. Hybridimenetelmä soveltuu maanperän käytöksen reaaliaikaiseen simuloimiseen fysiikkamoottoreita hyödyntäen. Mallit eivät sovellu lähes koskaan suoraan haluttuun maaperään, vaan ne vaativat kalibrointia.

This work has been carried out as a literature review, which presents soil modelling. The processed methods include the discrete element method, element method, particle mechanics and hybrid method. The methods are treated lightly from the parts of history and theory, with the main focus being the applications. Examples of general parameters and measurements are given in the work. Comparisons are made between methods, but for the hybrid method, the comparison focuses on the internal application of the method.

The results show that the element method is the most common method used and works well for situations where the soil behaves as a homogeneous substance, and there are no radical deformations. The discrete element method is best suited for modelling radical deformations, post-failure behaviour and large grain sizes. However, the discrete element method requires a great deal of computing power in larger situations and is not suitable for problems where you want to solve threshold values. Particle mechanics are the narrowest of the methods discussed best suited for modelling shear bands of cutting-critical points and cracking. The hybrid method is suitable for real-time simulation of soil behaviour using physics engines. Models are almost never suitable directly for the desired soil but require calibration.