Using of a two dimensional finite element analysis software for solving geotechnical engineering problems: ADONIS

Öz

Various research areas in geotechnical engineering such as slope stability, shoring application, deep excavations, ground support structure, tunnel design; It can be modeled in two dimensions and evaluated through numerical analysis techniques. Finite element method stands out as one of the most widely used numerical analysis techniques in geotechnical engineering. Based on this method, there are free code blocks without any interface, console applications and commercial, academic, and open source computer software with a user interface. In this study, ADONIS geotechnical software, which is based on finite element analysis and allows two-dimensional numerical modeling, is discussed. This software is a finite element analysis program with a free use license that includes linear and non-linear soil structure models and structural elements. In ADONIS geotechnical software, various slope stability problems selected to measure program verification performance were solved by the strength reduction method. The safety factors of slope stability with different geometric and geotechnical designs were calculated with the scripting language in this program and compared with different geotechnical software. As a result, it is predicted that ADONIS software may be an important option in solving two-dimensional problems in geotechnical engineering.

Anahtar Kelimeler

• ADONIS
• Geotechnical Software
• Finite Element Method
• Slope Stability
• Strength Reduction Method
• Plain Strain

Geoteknik mühendisliği problemlerinin çözümünde iki boyutlu sonlu elemanlar çözümlemesi yazılımının kullanımı: ADONIS

Öz

Geoteknik mühendisliğinde şev duraylılığı, iksa uygulaması, derin kazılar, zemin dayanma yapısı, tünel tasarımı gibi çeşitli araştırma alanları; iki boyutlu şekilde modellenerek, sayısal çözümleme teknikleri yoluyla değerlendirilebilmektedir. Sonlu elemanlar yöntemi ise geoteknik mühendisliğinde en yaygın kullanılan sayısal çözümleme tekniklerinden biri olarak öne çıkmaktadır. Bu yöntemi esas alan, herhangi bir arayüzü olmayan serbest kod blokları ile konsol uygulamaları ve bir kullanıcı arayüzüne sahip ticari, akademik, açık kaynak türü bilgisayar yazılımları yer almaktadır. Bu çalışmada, sonlu elemanlar çözümlemesini esas alan ve iki boyutlu sayısal modelleme yapılabilen ADONIS geoteknik yazılımı ele alınmıştır. Bu yazılım, içerisinde doğrusal ve doğrusal olmayan zemin bünye modelleri ve yapısal elemanlar barındıran, serbest kullanım lisansına sahip bir sonlu elemanlar analiz programıdır. ADONIS geoteknik yazılımında, program doğrulama başarımını ölçmek için, seçilen çeşitli şev duraylılığı problemleri; mukavemet azaltma yöntemiyle çözümlenmiştir. Farklı geometrik ve geoteknik tasarıma sahip şev yapılarının, gömülü kodlama diliyle bu program içerisinde duraylılık güvenlik sayıları hesaplanarak farklı geoteknik yazılımlarla kıyaslanmıştır. Sonuç olarak, ADONIS yazılımının geoteknik mühendisliğindeki iki boyutlu problemlerin çözümünde önemli bir seçenek olabileceği öngörülmektedir.

Anahtar Kelimeler

• ADONIS
• Geoteknik Yazılım
• Sonlu Elemanlar Yöntemi
• Şev Duraylılığı
• Mukavemet Azaltma Yöntemi
• Düzlem Gerinimi

Kaynakça

1. L. Sabat and C. K. Kundu, History of finite element method: A review, in Recent Dev. Sustain. Infrastruct. Sel. Proc. ICRDSI, 75, 395-404, 2021. https://doi.org/10.1007/978-981-15-4577-1_32.
2.   M. Kaçmaz, Geoteknik problemlerin farklı sonlu elemanlar programları ile çözümlenmesi: örnek bir uygulama. Yüksek Lisans Tezi Batman Üniversitesi Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, Türkiye, 2022.
3.   M. Güler and S. Şen, Sonlu Elemanlar Yöntemi Hakkında Genel Bilgiler, Ordu Üni. Bilim ve Teknol. Derg., 5(1), 56-66, 2015.
4.   A. Hrennikoff, Solution of problems of elasticity by the framework method, J. Appl. Mech., 8(4), 169-175, 1941. https://doi.org/10.1115/1.4009129.
5.   G. R. Liu and S. S. Quek, The Finite Element Method: A Practical Course: Second Edition, Butterworth-Heinemann, 2014. https://doi.org/10.1016/C2012-0-00779-X.
6.   W. K. Liu, S. Li, and H. S. Park, Eighty years of the finite element method: Birth, evolution, and future, Arch. Comput. Methods Eng., 29(6), 4431-4453, 2022. https://doi.org/10.1007/s11831-022-09740-9.
7.   R. G. Mikola, Analysis of SEM Tunnel with Quasi-Static Explicit Finite Element, in ARMA US Rock Mech. Symp., 1367, 2020.
8.   D. M. Potts, L. Zdravković, T. I. Addenbrooke, K. G. Higgins, and N. Kovačević, Finite Element Analysis in Geotechnical Engineering: Volume Two - Application, Thomas Telford London, 2001. https://doi.org/ 10.1680/feaigea.27831.fm.

9.   N. Ural and A. Gergin, Foundation design on problematic soils with high underground water level, Rev. la Construcción, 19(3), 233-245, 2020.
10. M. Dingil, Zemin mekaniğinde endeks deneyleri için internet tabanlı bir uygulamanın geliştirilmesi. Yüksek Lisans Tezi, İskenderun Teknik Üniversitesi Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü, Türkiye 2020.
11. H. Yıldırım, Geoteknik yazılımların zamana bağlı gelişimi ve kullanımı. Yüksek Lisans Tezi, Kocaeli Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Türkiye, 2021.
12. R. G. Mikola, ADONIS: A free finite element analysis software with an interactive graphical user interface for geoengineers, in GeoOttawa2017 Conf., 2017.
13. T. Tsvetkova and N. Kerenchev, Review of open source software for modelling and analysis of structures, in IOP Conf. Series: Mater. Sci. and Eng., 12003, 2020. https://doi.org/10.1088/1757-899X/951/1/012003.
14. M. Dingil, Y. Türedi, and M. Örnek, Geoteknik Mühendisliğinde Açık Kaynaklı Yazılım Geliştirme Araçlarının Kullanımı: Hidrometre Deneyi Örneği, Dicle Üni. Müh. Fak. Müh. Derg., 11(3), 1431-1442, 2020. https://doi.org/10.24012/dumf.754582.
15. J. R. Shewchuk, Triangle: Engineering a 2D quality mesh generator and Delaunay triangulator, in Workshop on Applied Computational Geometry, 203-222, 1996. https://doi.org/10.1007/BFb0014497.
16. E. Eichhammer, QCustomPlot Qt C++: Widget for plotting and data visualization, 2020.
17. C. Geuzaine and J.-F. Remacle, Gmsh: A 3-D finite element mesh generator with built-in pre-and post-processing facilities, Int. J. Numer. Methods Eng., 79(11), 1309-1331, 2009. https://doi.org/10 .1002/nme.2579.
18. K. Brzeziński, T. Rybicki, and K. Józefiak, Analysis of stability of railway embankment including horizontal forces in light of Eurocode, in MATEC Web of Conferences, 196, 03016, 2018. https://doi.org/10.1051/matecconf/201819603016.
19. N. Cristelo, C. Félix, and J. Figueiras, Experimental behaviour of concrete box culverts—comparison with current codes of practice, Can. Geotech. J., 56(7), 970-982, 2019. https://doi.org/10.1139/cgj-2018-0506.
20. L. Guerriero et al., Kinematics and geologic control of the deep-seated landslide affecting the historic center of Buonalbergo, southern Italy, Geomorphology, 394, 107961, 2021. https://doi.org/10.1016/j.geomorph .2021.107961.
21. G. Sreelakshmi and M. N. Asha, Numerical Investigation of Soil–Structure Interaction Behaviour of Landslide Prevention Piles. In: Adhikari, Geohazard Mitigation. Lecture Notes in Civ. Eng., 192, 293-304, 2022. https://doi.org/10.1007/978-981-16-6140-2_24.
22. B. Van den Bout, L. Lombardo, M. Chiyang, C. van Westen, and V. Jetten, Physically-based catchment-scale prediction of slope failure volume and geometry, Eng. Geol., 284, 105942, 2021. https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2020.105942.
23. H. V Gajjar, A. Srivastava, and V. D. Ujeniya, Application of multi linear regression (MLR) analysis for predicting settlement reduction ratio (Sr) of stone columns reinforced soft ground, Mater. Today Proc., 72, 459-464, 2023. https://doi.org/10.1016/j.matpr.20 22.08.350.
24. S. Syaiful, F. M. L. Taqwa, and R. Muktadir, Evaluation of failure and design of structural reinforcement for gabion-type retaining walls, Ibn Khaldun Int. J. Appl. Sci. Sustain., 1(1), 69-88, 2023.
25. B. J. Yian and Z. A. Talib, Simulation of 2D ground movement due to tunnel excavation using Finite Element Method (FEM), in IOP Conf. Series: Earth and Environ. Sci., 12067, 2023. https://doi.org/10.1088/1755-1315/1205/1/012067.
26. J. K. Y. Chiu, and Sari, M, Determining REV for jointed rock masses using finite numerical analysis, in New Challenges in Rock Mech. and Rock Eng., 244-249, CRC Press, 2024.
27. R. Basirat, Analysis of tunnel lining internal forces under the influence of S and P-waves: An analytical solution and quasi-static numerical method, Rock Mech. Bullet., 4(1), 100168, 2025. https://doi.org/10.1016/j.rockmb.2024.100168.
28. ADONIS, ADONIS: Free Finite Element Method Program, version 3.90.0, Main Developer: Roozbeh Geraili Mikola, PhD, P.E, 2025.
29. GeoWizard, GeoWizard - Free Programs for Geoengineers”, URL: http://www.geowizard.org, 2025.
30. E. Turan, Statik ve dinamik düşey yükler altındaki kazıklı temellerin davranışı. Yüksek Lisans Tezi, Anadolu Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Türkiye, 2006.
31. M. Berilgen, Geoteknik Mühendisliğinde Sayısal Yöntemler ve Program Kullanımı, Geoteknik Meslekiçi Eğitim Kursu, İnşaat Mühendisleri Odası İstanbul Şubesi, 2016.
32. H. Kılıç, Geoteknik Mühendisliğinde Sayısal Analizler Notları, Geoteknik Meslekiçi Eğitim Kursu, İnşaat Mühendisleri Odası İstanbul Şubesi, 2017.
33. H. Gazi and N. K. Öztorun, Düzlem Elastisite Problemlerinin Analizi Kapsamında Sonlu Elemanlar Metoduyla Çalışan Bir Yazılımın Geliştirilmesi, Yapı Dünyası, 179, 11-17, 2011.
34. E. Tekin, Köprü ve Geoteknik Mühendisliğinde Kullanılan Yeni Nesil Teknikler, Sonlu Elemanlar Yöntemi Semineri Kurs Eğitim Notları, İnşaat Mühendisleri Odası Ankara Şubesi, 2017.
35. C. Detournay and E. Dzik, Nodal mixed discretization for tetrahedral elements, in 4th International FLAC Symposium on Numerical Modeling in Geomechanics, 2006.
36. J. Liu, L. Wu, K. Yin, C. Song, X. Bian, and S. Li, Methods for solving finite element mesh-dependency problems in geotechnical engineering—A review, Sustainability, 14(5), 2982, 2022. https://doi.org /10.3390/su14052982.
37. E. Soranzo, C. Guardiani, Y. Chen, Y. Wang, and W. Wu, Convolutional neural networks prediction of the factor of safety of random layered slopes by the strength reduction method, Acta Geotech., 18(6), 3391-3402, 2023. https://doi.org/10.1007/s11440-022-01783-3.
38. Y. W. Bekele, GeoSim. AI: AI assistants for numerical simulations in geomechanics, arXiv preprint arXiv:2501.14186, 2025.
39. P. S. K. Giam and I. B. Donald, Example Problems for Testing Soil Slope Stability Programs, Civil Engineering Research Report No. 8/1989, Monash University, Melbourne, Aust. 1989.
40. J. T. Christian, C. C. Ladd, and G. B. Baecher, Reliability applied to slope stability analysis, J. Geotech. Eng., 120(12), 2180-2207, 1994. https://doi.org/10.1061/(ASCE)07339410(1994)120:12(2180).
41. K. Arai and K. Tagyo, Determination of noncircular slip surface giving the minimum factor of safety in slope stability analysis, Soils Found., 25(1), 43-51, 1985. https://doi.org/10.3208/sandf1972.25.43.
42. L. Prandtl, Bemerkungen über die Entstehung der Turbulenz, ZAMM‐J. App. Math. Mech., 1(6), 431-436, 1921. https://doi.org/10.1002/zamm.19210010 602.
43. J. M. Duncan, S. G. Wright, and T. L. Brandon, Soil Strength and Slope Stability: 2nd Edition, John Wiley & Sons Inc, 2014.
44. T. C. Sheahan, A Field Study of Soil Nails in Clay at the University of Massachusetts Amherst National Geotechnical Experimentation Site, Geotechnical Special Publication, 93, 250-263, ASCE, 2000.
45. DEEPEX, DeepEx Software Program User’s Manual, Deep Excavation, 2020.
46. RS2, 2D Finite Element Program for Slope and Excavation Stability Analyses, Slope Stability Verification Manual – Pt 4, Rocscience Inc., 2021.
47. SLIDE2, Slope Stability Verification Manual, Rocscience Inc., 2022.
48. GEOSTUDIO, Slope Stability Verification Manual, Seequent Limited, 2024.
49. S. G. Wright, UTEXAS4—A Computer Program for Slope Stability Calculations, Shinoak Software, Austin, Texas, 1999.
50. SVSLOPE, Slope Stability Analysis Software, Bentley Systems, 2019.
51. J. M. Duncan, and S. G. Wright, Soil Strength and Slope Stability, John Wiley & Sons Inc, 2005.
52. J. Kim, R. Salgado, J. Lee, Stability analysis of complex soil slopes using limit analysis, J. Geotech. Geoenviron. Eng., 128(7), 546-557, 2002. https://doi.org/10.1061/(ASCE)10900241(2002)128:7(546).
53. V. R. Greco, Efficient Monte Carlo technique for locating critical slip surface, J. Geotech. Eng., 122(7), 517-525, 1996. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9410(1996)122:7(517).
54. A. I. H. Malkawi, W. F. Hassan, and S. K. Sarma, Global search method for locating general slip surface using Monte Carlo techniques, J. Geotech. Geoenviron. Eng., 127(8), 688-698, 2001. https://doi.org /10.1061/(ASCE)10900241(2001)127:8(688).
55. Z. Chen, and C. Shao, Evaluation of minimum factor of safety in slope stability analysis, Canadian Geotech. J., 25, 735-748, 1988. https://doi.org/10.1139/t88-084.
56. T. C. Sheahan and C. L. Ho, Simplified trial wedge method for soil nailed wall analysis, J. Geotech. Geoenviron. Eng., 129(2), 117-124, 2003. https://doi.org/10.1061/(ASCE)10900241(2003)129:2(117).