Backanalysis methodology based on multiple optimization techniques for geotechnical problems

Abstract

Nowadays, thanks to the increase of computers capability to solve huge and complex problems, and also thanks to the endless effort of the geotechnical community to define better and more sophisticated constitutive models, the challenge to predict and simulate soil behavior has been eased. However, due to the increase in that sophistication, the number of parameters that define the problem has also increased. Moreover, frequently, some of those parameters do not have a real geotechnical meaning as they just come from mathematical expressions, which makes them difficult to identify. As a consequence, more effort has to be placed on parameters identification in order to fully define the problem. This thesis aims to provide a methodology to facilitate the identification of parameters of soil constitutive models by backanalysis. The best parameters are defines as those that minimize an objective function based on the differences between measurements and computed values. Different optimization techniques have been used in this study, from the most traditional ones, such as the gradient based methods, to the newest ones, such as adaptive genetic algorithms and hybrid methods. From this study, several recommendations have been put forward in order to take the most advantage of each type of optimization technique. Along with that, an extensive analysis has been carried out to determine the influence on soil parameters identification of what to measure, where to measure and when to measure in the context of tunneling. The Finite Element code Plaxis has been used as a tool for the direct analysis. A FORTRAN code has been developed to automate the entire backanalysis procedure. The Hardening Soil Model (HSM) has been adopted to simulate the soil behavior. Several soil parameters of the HSM implemented in Plaxis, such as E_50^ref, E_ur^ref, c and f, have been identified for different geotechnical scenarios. First, a synthetic tunnel case study has been used to analyze all the different approaches that have been proposed in this thesis. Then, two complex real cases of a tunnel construction (Barcelona Metro Line 9) and a large excavation (Girona High-Speed Railway Station) have been presented to illustrate the potential of the methodology. Special focus on the influence of construction procedures and instruments error structure has been placed for the tunnel backanalysis, whereas in the station backanalysis, more effort has been devoted to the potential of the concept of adaptive design by backanalysis. Moreover, another real case, involving a less conventional geotechnical problem, such as Mars surface exploratory rovers, has been also presented to test the backanalysis methodology and the reliability of the Wong & Reece wheel-terrain model; widely adopted by the terramechanics community, but nonetheless, still not fully accepted when analyzing lightweight rovers as the ones that have been used in recent Mars exploratory missions.

Actualmente, gracias al aumento de la capacidad de los ordenadores para resolver problemas grandes y complejos, y gracias también al gran esfuerzo de la comunidad geotécnica de definir mejores y más sofisticados modelos constitutivos, se ha abordado el reto de predecir y simular el comportamiento del terreno. Sin embargo, debido al aumento de esa sofisticación, también ha aumentado el número de parámetros que definen el problema. Además, frecuentemente, muchos de esos parámetros no tienen un sentido geotécnico real dado que vienen directamente de expresiones puramente matemáticas, lo cual dificulta su identificación. Como consecuencia, es necesario un mayor esfuerzo en la identificación de los parámetros para poder definir apropiadamente el problema. Esta tesis pretende proporcionar una metodología que facilite la identificación mediante el análisis inverso de los parámetros de modelos constitutivos del terreno. Los mejores parámetros se definen como aquellos que minimizan una función objetivo basada en la diferencia entre medidas y valores calculados. Diferentes técnicas de optimización han sido utilizadas en este estudio, desde las más tradicionales, como los métodos basados en el gradiente, hasta las más modernas, como los algoritmos genéticos adaptativos y los métodos híbridos. De este estudio, se han extraído varias recomendaciones para sacar el mayor provecho de cada una de las técnicas de optimización. Además, se ha llevado a cabo un análisis extensivo para determinar la influencia sobre qué medir, dónde medir y cuándo medir en el contexto de la excavación de un túnel. El código de Elementos Finitos Plaxis ha sido utilizado como herramienta de cálculo del problema directo. El desarrollo de un código FORTRAN ha sido necesario para automatizar todo el procedimiento de Análisis Inverso. El modelo constitutivo de Hardening Soil ha sido adoptado para simular el comportamiento del terreno. Varios parámetros del modelo constitutivo de Hardening implementado en Plaxis, como E_50^ref, E_ur^ref, c y f, han sido identificados para diferentes escenarios geotécnicos. Primero, se ha utilizado un caso sintético de un túnel donde se han analizado todas las distintas técnicas que han sido propuestas en esta tesis. Después, dos casos reales complejos de una construcción de un túnel (Línea 9 del Metro de Barcelona) y una gran excavación (Estación de Girona del Tren de Alta Velocidad) se han presentado para ilustrar el potencial de la metodología. Un enfoque especial en la influencia del procedimiento constructivo y la estructura del error de las medidas se le ha dado al análisis inverso del túnel, mientras que en el análisis inverso de la estación el esfuerzo se ha centrado más en el concepto del diseño adaptativo mediante el análisis inverso. Además, otro caso real, algo menos convencional en términos geotécnicos, como es la exploración de la superficie de Marte mediante robots, ha sido presentado para examinar la metodología y la fiabilidad del modelo de interacción suelo-rueda de Wong y Reece; extensamente adoptado por la comunidad que trabajo en Terramecánica, pero aún no totalmente aceptada para robots ligeros como los que se han utilizado recientemente en las misiones de exploración de Marte.