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Bibliographic Metadata

Title
Large-scale 3D numerical simulations of geotechnical problems involving multi-phase soil models / Xin Ma
AuthorMa, Xin
CensorHofstetter, Günter
Thesis advisorHofstetter, Günter ; Fahringer, Thomas
Published2014
DescriptionXX, 117 S. : Ill., graph. Darst.
Institutional NoteInnsbruck, Univ., Diss., 2014
Annotation
Zsfassung in dt. Sprache
Date of SubmissionDecember 2014
LanguageEnglish
Bibl. ReferenceOeBB
Document typeDissertation (PhD)
Keywords (DE)Mehr-Phasen Modell für teilgesättigte Böden / dreidimensionale Simulationen / parallelisierung / High Performance Computing
Keywords (GND)Boden / Sättigung / Mehrphasenströmung / Numerisches Verfahren / Simulation
URNurn:nbn:at:at-ubi:1-1615 Persistent Identifier (URN)
Restriction-Information
 The work is publicly available
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Large-scale 3D numerical simulations of geotechnical problems involving multi-phase soil models [6.45 mb]
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Abstract (German)

In der vorliegenden Arbeit wird ein Mehr-Phasen Modell für teilgesättigte Böden in das Open-Source FE-Programm OpenSees [82] implementiert. Der Code wird auf einem Hochleistungsrechnersystem eingesetzt, die Effizienz des Programms wird optimiert und durch eine numerische Studie mit Schwerpunkt auf numerischen Simulationen von geotechnischen Problemen getestet.

Im Rahmen der Mehr-Phasen Formulierung wird ein modifiziertes konstitutives Modell zur Beschreibung teilgesättigter Böden, das ursprünglich in [53] vorgestellt wurde, angewendet. Es ist in Abhängigkeit von zwei unabhängigen Spannungsvariablen formuliert, nämlich den verallgemeinerten effektiven Span- nungen und der Kapillarspannung. Es wurde erfolgreich zur numerischen Simulation des Verhaltens von ungesättigten (schluffigen) sandigen Böden eingesetzt. Dieses konstitutive Modell wurde in mehrfacher Hinsicht verbessert, mit dem Ziel einer verbesserten Stabilität beim Übergang von ungesättigten zu gesättigten Zuständen und der Erweiterung des Einsatzbereiches von sandigen Böden auf Tone niedriger und mittlerer Plastizität.

Das nichtlineare System von Gleichungen, das sich aus der Finite Elemente Formulierung des Mehr-Phasen Modells ergibt, wird mittels des Newton Verfahrens unter Verwendung der konsistenten Tangenten Moduln gelöst. Das Newton Verfahren wird durch ein Relaxationsverfahren und durch einen Line-search Algorithmus entlang der durch die konsistenten Tangentenmoduln vorgegebenen Richtungen erweitert. Zur Lösung des linearen Gleichungs-systems im Rahmen der Newton Iteration auf der Strukturebene wird der massiv parallele direkte Mehrfrontenlöser MUMPS [65] eingesetzt.

Das implementierte Mehr-Phasen Modell wird für die numerische Simulation von ein geotechnische Problemstellungen eingesetzt. Eine 3D Simulation der transienten Strömung von Wasser durch einen homogenen Erddamm wird demonstriert.

Schließlich werden große 3D Simulationen auf zwei verschiedenen HPC (High Performance Computing) Cluster-Architekturen, nämlich dem Shared Memory System MACH [43] und den Distributed Memory System Leo III [42] ausgeführt. Letzteres System ist der derzeit neueste Supercomputer an der Universität Innsbruck. Er besteht aus 162 Knoten mit insgesamt 1944 Kernen. Die Leistungsfähigkeit des Programmes wird durch eine Reihe von Indikatoren, wie speed-up, Effizienz und Skalierung, gemessen.

Abstract (English)

In the present work, a multi-phase model for partially saturated soils is implemented into the open-source FE-program OpenSees [82]. The code is employed on a high performance cluster system, the efficiency of the program is optimized and tested by a numerical study focussing on numerical simulations of geotechnical problems.

In the context of the multi-phase formulation, a modified constitutive model for partially saturated soils is applied, which was originally proposed in [53]. It is formulated in terms of two independent stress variables, i.e. generalized effective stress and matric suction. It was applied successfully to the numerical simulation of the behavior of unsaturated (silty) sands. The latter model is improved in several respects aiming at an enhanced robustness at the transition from unsaturated to saturated states and at an extension of the range of application from sands to low and medium plasticity clays.

The nonlinear system of equations arising from the finite element formulation of the multi-phase model is solved by a Newton-type approach. It is extended by a relaxation strategy to limit the per-step increment in matric suction and by a line search along the directions provided by the consistent tangent moduli. For solving the linear system of equations resulting from the Newton-type approach at the structural level the multi-frontal massively parallel sparse direct solver MUMPS [65] is employed.

Furthermore, the implemented three-phase model is applied to the numerical simulation of a geotechnical problem. A transient 3D simulation of water flow through an earth dam is performed.

Finally, large-scale 3D numerical simulations are performed on two different HPC (High Performance Computing) cluster architectures, i.e. the shared memory machine MACH [43] and the distributed memory machine Leo III [42]. The latter is the latest supercomputer available at the University of Innsbruck. It consists of 162 compute nodes with a total of 1944 cores. The performance of the program is measured by a group of indicators, e.g. speedup, efficiency and scaling.