Formulacija konstitutivnog modela za komunalni otpad i implementacija u metodi konačnih elemenata

Abstract

Ponašanje komunalnog otpada je nelinearno i veoma kompleksno usled izrazite heterogenosti materijala. Komponente od različitih vrsta materijala, biodegradacija organskih komponenti i veliko sekundarno sleganje usled mehaničkog puzanja nastalog od prepakivanja komponenti otpada zbog biodegradacijskih procesa, prouzrokuju poteškoće u matematičkom opisivanju ponašanja komunalnog otpada. Nelinearni elasto-plastični i viskozni konstitutivni modeli razvijeni za tlo mogu biti osnova konstitutivnog modela za komunalni otpad, ali se oni moraju modifikovati i prilagoditi ponašanju komunalnog otpada. Modifikacija se prvenstveno ogleda u uvođenju vremenski uslovljenih procesa koji se dešavaju u komunalnom otpadu: mehaničko puzanje i biodegradacija. U okviru ove disertacije formulisan je nelinearni elasto-plastični konstitutivni model za komunalni otpad – MSW (Municipal Solid Waste) model, baziran na teoriji kritičnog stanja i Modifikovanom Cam Clay modelu. MSW model u svojoj formulaciji sadrži priraštaj vremenski zavisnih zapreminskih deformacija usled mehaničkog puzanja i biodegradacije otpada. MSW model je implementiran u program ABAQUS/CAE, baziran na metodi konačnih elemenata, koristeći korisnički potprogram UMAT i Metodu vodećeg parametra za numeričku integraciju konstitutivnih relacija modela u kojoj je za vodeći parametar usvojen srednji efektivni napon. Validacija MSW modela je izvršena kroz poređenje sa publikovanim rezultatima edometarskih opita i dreniranih i nedreniranih triaksijalnih opita. Validacije su pokazale odlična poklapanja predviđanja MSW modela sa eksperimentalno dobijenim vrednostima. Mogućnost MSW modela da adekvatno predvidi ponašanje komunalnog otpada je ispitana kroz analizu konturnog problema metodom konačnih elemenata, gde je razmatran problem sleganja eksperimentalne deponije.

Mechanical behaviour of municipal solid waste is nonlinear and very complex due to extreme material heterogeneity. Components of different types of materials, biodegradation of organic components and large secondary settlement due to mechanical creep caused by repackaging of waste components due to biodegradation processes, cause difficulties in mathematically describing the behaviour of municipal solid waste. Nonlinear elastic-plastic and viscous constitutive models developed for soil can be the basis of a constitutive model for municipal solid waste, but they must be modified and adapted to the behaviour of municipal solid waste. The modification is primarily reflected in the introduction of time-dependent processes that occur in municipal solid waste: mechanical creep and biodegradation. Within this thesis, a nonlinear elastic-plastic constitutive model for municipal solid waste - MSW model, based on the critical state theory and the Modified Cam Clay model, was formulated. The MSW model in its formulation contains the increment of time-dependent volumetric deformations due to mechanical creep and biodegradation of waste. The MSW model is implemented in the ABAQUS / CAE program, based on the finite element method, using the user subroutine UMAT and the Governing Parameter Method for the numerical integration of constitutive relations of the model in which the mean effective stress is adopted for the governing parameter. Validation of the MSW model was performed through comparison with published results of oedometer tests and drained and undrained triaxial tests. Validations showed excellent matches of the predictions of the MSW model with the experimentally obtained values. The ability of the MSW model to adequately predict the behaviour of municipal solid waste was tested through the analysis of the boundary value problem by the finite element method, where the problem of the experimental landfill settlement was analysed.