Modeling the Monotonic and Cyclic Viscoplastic Soil Behavior

We describe a class of viscoplastic constitutive models capable of simulating the monotonic and cyclic rate-dependent soil behavior. These models are developed by enriching their inviscid counterparts with a viscous character to model the irreversible deformation that develops with time. The viscoplastic strain rate is of the Duvaut-Lions type whose magnitude increases with the distance of the stress point from its projection onto the inviscid solution. With appropriate choice of an inviscid elasto-plastic soil model, one can generate quasipreconsolidation effects during creep and account for the influence of frequency on the shape and width of hysteresis loops formed during cyclic loading

Estimating inelastic sediment deformation from local site response simulations

Significant insight into the dynamic local site response of a horizontally layered sediment deposit to seismic excitation can be gained from numerical simulations. In this paper we use a nonlinear local site response analysis code SPECTRA to estimate the coseismic sediment deformation at a seismically active site in Lotung, Taiwan. We address some basic issues relevant for interpreting the simulation results, including the impact of noise and baseline offsets present in the input ground motion. We also consider the sensitivity of the predicted deformation responses to statistical variations of sediment constitutive properties. Finally, we apply a suite of hypothetical strong ground motions to the base of the sediment deposit to better understand the pattern of inelastic deformation likely to result from strong seismic shaking

Un marco matemático para la consolidación elastoplástica con deformaciones finitas

Se presenta una formulación matemática para los fenómenos acoplados de deformación del suelo y difusión, la llamada consolidación, que incluye los efectos de respuesta elastoplástica del suelo y deformaciones finitas. Se obtienen las ecuaciones variacionales del problema de contorno tanto en sus casos no lineal como linealizado de forma que puedan incorporarse directamente a programas de elementos finitos. El tratamiento algorítmico de la elastoplasticidad con deformaciones finitas para la fase sólida está basado en una descomposición multiplicativa y se acopla con el algoritmo de flujo del fluido a través de la presión neutra de Kirchhoff. Las ecuaciones de la cantidad de movimiento y conservación de la masa se escriben tanto para la fase sólida como para la fluida siguiendo el movimiento de la matriz sólida, combinándolas a continuación mediante la teoría general de mezclas. Puesto que la masa del fluido no tiene que conservarse en la región definida por la matriz sólida, se permite también que la densidad saturada de la mezcla suelo-agua varíe con la deformación del suelo a través del Jacobiano

A mathematical framework for finite strain elastoplastic consolidation. Part 1: Balance laws, variational formulation, and linearization

A mathematical formulation for finite strain elasto plastic consolidation of fully saturated soil media is presented. Strong and weak forms of the boundary-value problem are derived using both the material and spatial descriptions. The algorithmic treatment of finite strain elastoplasticity for the solid phase is based on multiplicative decomposition and is coupled with the algorithm for fluid flow via the Kirchhoff pore water pressure. Balance laws are written for the soil-water mixture following the motion of the soil matrix alone. It is shown that the motion of the fluid phase only affects the Jacobian of the solid phase motion, and therefore can be characterized completely by the motion of the soil matrix. Furthermore, it is shown from energy balance consideration that the effective, or intergranular, stress is the appropriate measure of stress for describing the constitutive response of the soil skeleton since it absorbs all the strain energy generated in the saturated soil-water mixture. Finally, it is shown that the mathematical model is amenable to consistent linearization, and that explicit expressions for the consistent tangent operators can be derived for use in numerical solutions such as those based on the finite element method

Modelo de plasticidad multiaxial para arcillas sometidas a carga dinámica

En este artículo se desarrolla un modelo de plasticidad de superfície límite para suelos cohesivos sin drenaje dotado de un algoritmo capaz de manejar tanto carga dinámica multiaxial como la ausencia de rango elástico. Dicho algoritmo puede ser implementado en cualquier programa de elementos finitos. En el desarrollo de la formulación continua se siguen los mismos pasos que en la plasticidad clásica. Modelos monodimensionales tradicionales como el exponencial, hiperbólico, de Davidenkov o el de Ramberg-Osgood pueden ser poyectados en el dominio de tensiones desviadoras y extendidos sitemáticamente a las tres dimensiones espaciales. En particular, el modelo exponencial se ha relevado apropiado para suelos cohesivos y ha sido utilizado en este trabajo. Los parámetros internos del mismo se obtienen directamente de las curvas típicas de reducción del módulo a cortante, de perfiles de velocidades de ondas a cortante y/o de ensayos de penetración. Para analizar el comportamiento del modelo, se le expone tanto a cargas monoaxiales como a multiaxiales y tanto a cargas cuasiestáticas como a sísmicas. Además, el modelo desarrollado es especialmente útil en interacción suelo-estructura tridimensional e incluso requiere menos parámetros que modelos lineales monodimensionales equivalentes, usados habitualmente en ingeniería geotécnica.Peer Reviewe

Consolidación elastoplástica con deformaciones finitas. Implementación con elementos finitos y ejemplos numéricos

En un programa de elementos finitos se implementa un modelo matemático para la consolidación elastoplástica con deformaciones finitas en un medio representativo de un suelo totalmente saturado. El tratamiento algorítmico de la elasticidad en deformaciones finitas para la fase sólida está basado en una descomposición multiplicativa y acoplado con el algoritmo de flujo del fluido mediante la presión intersticial de Kirchho. Se utiliza una formulación mixta de elementos finitos con dos campos en que los desplazamientos nodales del sólido y las presiones nodales de agua en los poros están acoplados mediante las ecuaciones de equilibrio de masa y cantidad de movimiento. La ley de comportamiento de la fase sólida se representa mediante una teoría de tipo Cam-Clay modificada, formulada en el espacio de las tensiones principales de Kirchho, y se utiliza una aplicación de retorno que se lleva a cabo en el espacio de deformaciones definido por los invariantes de los alargamientos elásticos logarítmicos principales. El comportamiento de la fase fluida se representa mediante una ley de Darcy generalizada formulada respecto a la configuración actual. El modelo de elementos finitos es completamente linealizable con exactitud. Se presentan varios ejemplos numéricos con y sin efectos de deformaciones finitas para demostrar el impacto de la no linealidad geométrica en las correspondientes respuestas. El artículo finaliza con un estudio del comportamiento del modelo de elementos finitos en relación con la precisión y la estabilidad numérica

Elastoplastic consolidation at finite strain. Part 2: finite element implementation and numerical examples

A mathematical model for finite strain elastoplastic consolidation of fully saturated soil media is implemented into a finite element program. The algorithmic treatment of finite strain elastoplasticity for the solid phase is based on multiplicative decomposition and is coupled with the algorithm for fluid flow via the Kirchhoff pore water pressure. A two-field mixed finite element formulation is employed in which the nodal solid displacements and the nodal pore water pressures are coupled via the linear momentum and mass balance equations. The constitutive model for the solid phase is represented by modified Cam—Clay theory formulated in the Kirchhoff principal stress space, and return mapping is carried out in the strain space defined by the invariants of the elastic logarithmic principal stretches. The constitutive model for fluid flow is represented by a generalized Darcy's law formulated with respect to the current configuration. The finite element model is fully amenable to exact linearization. Numerical examples with and without finite deformation effects are presented to demonstrate the impact of geometric nonlinearity on the predicted responses. The paper concludes with an assessment of the performance of the finite element consolidation model with respect to accuracy and numerical stability

Benthic estuarine communities in Brazil: moving forward to long term studies to assess climate change impacts

Abstract Estuaries are unique coastal ecosystems that sustain and provide essential ecological services for mankind. Estuarine ecosystems include a variety of habitats with their own sediment-fauna dynamics, all of them globally undergoing alteration or threatened by human activities. Mangrove forests, saltmarshes, tidal flats and other confined estuarine systems are under increasing stress due to human activities leading to habitat and species loss. Combined changes in estuarine hydromorphology and in climate pose severe threats to estuarine ecosystems on a global scale. The ReBentos network is the first integrated attempt in Brazil to monitor estuarine changes in the long term to detect and assess the effects of global warming. This paper is an initial effort of ReBentos to review current knowledge on benthic estuarine ecology in Brazil. We herein present and synthesize all published work on Brazilian estuaries that has focused on the description of benthic communities and related ecological processes. We then use current data on Brazilian estuaries and present recommendations for future studies to address climate change effects, suggesting trends for possible future research and stressing the need for long-term datasets and international partnerships