Publiczna obrona rozprawy doktorskiej mgr inż. Kazimierza Józefiaka

W dniu 15.11.2021 roku odbyła się publiczna obrona rozprawy doktorskiej mgra inż. Kazimierza Józefiaka pt. Modelowanie konstytutywnych właściwości gruntów jako podłoża betonowych nawierzchni drogowych, przygotowanej pod kierunkiem prof. dr hab. inż. Artura Zbiciaka, jako Promotora.
Recenzentami rozprawy byli: dr hab. inż. Małgorzata Jastrzębska, prof. PŚ oraz prof. dr hab. inż. Adam Zofka.
Obrona zakończyła się wynikiem pozytywnym. Przewodniczący Komisji Doktorskiej ds. przewodu doktorskiego mgra inż. Kazimierza Józefiaka, prof. dr hab. inż. Tomasz Lewiński, przekazał informację, że członkowie Komisji jednomyślnie zagłosowali za przyjęciem publicznej obrony i nadaniem stopnia doktora.
W dniu 07.12.2021 Rada Naukowa Dyscypliny Inżynieria Lądowa i Transport PW jednogłośnie zagłosowała za nadaniem mgrowi inż. Kazimierzowi Józefiakowi stopnia doktora nauk inżynieryjno-technicznych w dyscyplinie naukowej inżynieria lądowa i transport.

Przedmiotem rozprawy jest próba kompleksowego ujęcia zagadnień projektowania nawierzchni betonowych w kontekście złożonych, nieliniowych właściwości gruntów przy uwzględnieniu takich zjawisk jak konsolidacja pierwotna i wtórna oraz przekroczenie wytrzymałości na ścinanie.
W pracy przedstawiono współautorską procedurę projektowania nawierzchni sztywnych z wykorzystaniem metody elementów skończonych (MES) do oceny naprężeń maksymalnych w płytach. Zaprezentowano model MES płyty na uwarstwionym podłożu sprężystym, który pozwala w sposób bezpieczny i efektywny oszacować naprężenia w płycie, jednocześnie oddając realną pracę konstrukcji z uwzględnieniem odrywania się jej od podłoża. Obliczenia MES w programie Abaqus zautomatyzowano za pomocą skryptu w języku Python. Zaproponowaną procedurę projektowania odniesiono do istniejących metod analitycznych wyznaczania naprężeń w płytach i szacowania trwałości zmęczeniowej.
Wykonano przegląd modeli sprężysto-plastycznych gruntów ze szczególnym uwzględnieniem różnic wynikających ze sposobu ich implementacji w programach MES. W przypadku szeroko stosowanego w obliczeniach geotechnicznych modelu Hardening Soil przedstawiono ewolucję powierzchni plastyczności na podstawie obliczeń przeprowadzonych w programie Mathematica. Zaproponowano sposób modelowania histerezy gruntów obserwowanej w badaniach trójosiowego ściskania na płaszczyźnie dewiator naprężenia – odkształcenie z wykorzystaniem struktury reologicznej zawierającej klasyczne i nieklasyczne elementy. Parametry zaproponowanej struktury reologicznej wyznaczone zostały na podstawie wyników badań trójosiowych z odciążeniem.
Rozszerzono opis procesu przejściowego (zależnego od czasu) konsolidacji jednowymiarowej na dowolne struktury reologiczne, uwzględniające konsolidację pierwotną i wtórną. W szczególności zastosowano lepkosprężystą strukturę Burgersa do opisu szkieletu gruntowego. Wykonano badania edometryczne typu IL (ang.: incremental loading) długotrwałej konsolidacji gruntów organicznych, które wykorzystano do weryfikacji zaproponowanego modelu konsolidacji gruntu. Wyniki analizy odniesiono do możliwych modyfikacji ewolucji powierzchni domykającej modelu Modified Drucker-Prager/Cap w programie Abaqus. Ponadto, przedstawiono propozycję autorskiej struktury reologicznej do modelowania jednowymiarowej konsolidacji w procesach ustalonych (w warunkach z odpływem) z wykorzystaniem nieklasycznej struktury Kepesa.
Wykonano obliczenia MES zadania, w którym istotną rolę odgrywa połączenie zaawansowanego podejścia do modelowania gruntu z zagadnieniami projektowania nawierzchni sztywnych. Przeprowadzono sprzężoną analizę filtracyjno-quasistatyczną procesu przejściowego konsolidacji podłoża gruntowego pod wpływem obciążenia nasypem drogowym oraz warstwami dyblowanej i kotwionej nawierzchni betonowej. W warstwie gruntu organicznego uwzględniono osiadania wtórne. Badany był wpływ odkształceń podłoża na stan naprężenia w płytach nawierzchni.

Słowa kluczowe: mechanika gruntów, geotechnika, nawierzchnie betonowe, metoda elementów skończonych, modelowanie konstytutywne, konsolidacja gruntów

Wykres warstwicowy największego naprężenia głównego w płycie nowo-projektowanej nawierzchni, pod wpływem obciążenia gradientem temperatury.

Wykres warstwicowy przemieszczenia pionowego po 3 latach osiadania nasypu drogowego (okres eksploatacji). Model ze wzmocnieniem DSM. Widok w przekroju przez model.

Stożkowa część powierzchni plastyczności modelu Hardening Soil w przestrzeni naprężeń głównych przy założeniu różnych wartości parametru wzmocnienia.

Porównanie wyników z programu Abaqus (MES) konsolidacji izotropowej z uwzględnieniem pełzania jednym tłumikiem.