Analysis of deformations of road embankments founded on displacement columns improving soft subsoil

• Autorzy: Szajna Waldemar , Bondareva Liudmyla , Szatanik Bartosz

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2024.148898

Warianty tytułu

PL

Analiza deformacji nasypów drogowych posadowionych na kolumnach przemieszczeniowych wzmacniających słabe podłoże gruntowe

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Drilled displacement columns, constructed in the form of unreinforced or reinforced concrete elements, are currently a very commonly used method of improving soft subsoil, creating an alternative to more expensive pile foundations. A frequently used solution for improving soft soils of road or railway embankments is to design a regular pattern of columns of relatively small diameter. Columns along the perimeter of the improved area are reinforced with rigid steel profiles, while the internal ones are made as concrete elements. Column heads are usually covered with a load transfer platform (layer of compacted granular fill) which is additionally reinforced with geosynthetics. The application of soil improvement with displacement columns is not always successful. It is due to the errors and shortcomings occurring at the design stage, including simplifications in modelling, to construction faults, which may include insufficient experience of contractors and/or improper supervision. Referring to the real object that failed, the article provides the results of numerical parametric analyses taking into account the influence of the key design parameters such as: the stiffness of the load transfer layers, the amount and stiffness of the geosynthetic reinforcement as well as the column spacing. The article presents comparisons of numerical results obtained with the finite element analyses for various approaches to geometry modelling (axisymmetric, 2D and 3D). The simulations indicate that the use of the axisymmetric model of a single column in routine design may lead to the deformations exceeding the serviceability limit states.

PL

Rozwój infrastruktury komunikacyjne, ze względu na wymaganą geometrię szlaków, powoduje konieczność wznoszenia obiektów na słabych gruntach. Stosowanie wzmocnień w postaci różnego rodzaju kolumn, które przenoszą obciążenia na głębsze, nośne warstwy gruntu jest w takich sytuacjach powszechne. Wśród tej grupy technologii szczególnie często stosowane są wiercone kolumny przemieszczeniowe, stanowiące wsparcie nasypów. Pomimo dostępności wielu wyników badan nasypów na kolumnach wzmacnianych geosyntetykami i dużych doświadczeń w ich realizacji, awarie nadal się zdarzaj ą. Motywacją do podjęcia tematu jest przypadek drogi na niskim nasypie, wykonanym na słabym podłożu organicznym wzmocnionym kolumnami (rys. 2) na której wystąpiły duże nierównomierne osiadania nawierzchni. Różnice osiadania stref nad kolumnami i pomiędzy kolumnami miały bardzo różniące się od siebie wartości nawet w sąsiednich polach i wahały się w granicach od 5,5 do 23 mm. Rozmieszczenie kolumn w planie, pokazano na rys. 3a. Rysunek pokazuje także obszar gruntu przypadaj ący na jedną kolumnę As, co pozwala na wyznaczenie tzw. współczynnika wzmocnienia ARR = AcAs, gdzie Ac jest polem przekroju poprzecznego kolumny. Na rys. 3b pokazano zastępcze rozmieszczenie kolumn, ułatwiające analizy 2D. Celem pracy jest zbadanie wrażliwości układu na zmiany wartości istotnych parametrów projektowych, takie jak: geometria i sztywność warstwy transmisyjnej, ilość i sztywność zbrojenia geosyntetycznego oraz rozstaw kolumn, a także na sposób przestrzennego modelowania geometrii konstrukcji. Zadanie wykonano w formie analiz parametrycznych wykorzystując MES. Przedstawiono porównanie wyników uzyskanych dla modeli pojedynczych kolumn w stanie osiowej symetrii (AX), modeli 2D i modeli 3D. Analizując wyniki skupiono się na przemieszczeniach. Zestawienie analizowanych wariantów modeli przedstawiono w tab. 1. Modele, których parametry są zgodne z parametrami rzeczywistego obiektu nazwano bazowymi i oznaczono dodatkowym symbolem ‘b’. Parametry gruntów wykorzystane w modelach numerycznych zamieszczono w tab. 2. Obliczenia wykonano programem Plaxis. Do symulacji warstwy transmisyjnej (ang. LTP) oraz platformy roboczej wykorzystano model Coulomba–Mohra. Do symulacji pozostałych warstw gruntu zastosowano model Hardening Soil. Obliczenia obejmowały konsolidację gruntu obciążonego w warunkach z drenażem. W analizach 2D i 3D kolumny modelowano z wykorzystaniem elementów ‘embedded beams’. Pomiędzy warstwy zbrojenia geosyntetycznego i otaczający je grunt wprowadzono warstwy elementów ‘interface’. Rysunek 4 przedstawia porównanie wyników osiadania uzyskanych przy zastosowaniu modelu osiowej symetrii. Wzrost rozstawu kolumn zwiększa osiadania nad głowicami oraz różnice osiadania. Interesujące jest porównanie krzywych odpowiadających modelom AX-b i AX-1, gdzie niewielki wzrost ARR spowodował bardzo dużą redukcję osiadania i różnicy osiadania. Zastanawiający jest przebieg krzywej uzyskany przy braku zbrojenia geosyntetycznego. Wyjaśnienia uzyskanych tutaj małych różnic osiadania wymaga jednak dodatkowych analiz. Rysunki 5 do 8 odnoszą się do rozwiązań uzyskanych w modelach 2D. Rozkład osiadania w modelu bazowym 2D-b przedstawiono na rys. 5. Kolejny rysunek przedstawia porównanie wpływu rozstawu kolumn na osiadania. W tym przypadku, podobnie jak w modelu AX, niewielki wzrost ARR (z 3,2% na 3,61%) spowodował znaczne ograniczenia osiadania i różnicy osiadania. Sugeruje to, że istnieje pewna graniczna wartość współczynnika wzmocnienia, powyżej której rozwiązanie konstrukcyjne nabiera pozytywnych cech z punktu widzenia użytkowego. Wpływ ilości zbrojenia geosynetycznego, jego rozmieszczenia oraz sztywności, pokazano na rys. 7. Z rys. 7a wynika, że nawet dwukrotny wzrost sztywności zbrojenia nie wpływa jakościowo na redukcję deformacji układu. Problemy nadmiernych deformacji nasypu, wynikające z dużego rozstawu kolumn, trudno jest także zrekompensować sztywnością warstwy transmisyjnej, co pokazano na rys. 8. Rysunek 9 przedstawia zasadnicze elementy modelu 3D oraz uzyskane osiadania nawierzchni. Na rys. 10 zamieszczono odpowiadające sobie rozwiązania bazowe uzyskane w modelach AX, 2D i 3D. Rysunek ten potwierdza wcześniejsze spostrzeżenia, że w rozwiązaniu osiowosymetrycznym uzyskuje si ę największe osiadania i największe różnice osiadania, jednakże model ten nie uwzględnia wpływu zginania na wytężenie kolumn. Próbę wyjaśnienia wpływu rozstawu kolumn na deformacje nasypu przedstawia rys. 11. Pokazano na nim trajektorie naprężeń głównych uzyskane w rozwiązaniach 2D-b (ARR = 3; 2%) oraz 2D-s4 (ARR = 4; 18%). W pierwszym przypadku, duży rozstaw kolumn, przy ograniczonej wysokości nasypu uniemożliwił pełne rozwinięcie się efektu przesklepienia. Na rys. 12 zestawiono wszystkie poprzednio omówione rozwiązania, wyliczając dla każdego z nich efektywność transferu obciążenia na kolumnę, zdefiniowaną formułą (4.1) w funkcji różnicy osiadania. Z przeprowadzonych symulacji wynika, że sposób modelowania geometrii (AX, 2D i 3D) jest istotnym czynnikiem wpływającym na uzyskane wyniki opisujące deformacje nasypu. W niskich nasypach bardzo istotnym parametrem projektowym jest rozstaw kolumn i związany z nim współczynnik wzmocnienia ARR. Zbyt mała wartość tego współczynnika uniemożliwia pełne rozwinięcie się efektu przesklepienia, redukując efektywność rozwiązania i prowadząc do dużych wartości osiadania i różnic osiadania. Błędy na tym etapie projektowania trudno jest zrekompensować przez ilość i sztywność zbrojenia geosyntetycznego, czy tez zagęszczenie (sztywność) warstwy transmisyjnej. W rozważanym przypadku krytyczna wartość parametru ARR, powyżej której deformacje układu ulegają znacznej redukcji wynosi około 3,6%. Przeprowadzone analizy dotyczą tylko jednego nasypu i należy zachować ostrożność przy próbie uogólniania przedstawionych wniosków.

Słowa kluczowe

EN

drilled displacement columns; road embankments; soil improvement; finite element method; parametric study

PL

kolumny przemieszczeniowe; nasypy drogowe; wzmacnianie podłoża; analiza parametryczna; metoda elementów skończonych

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2024
• Tom: Vol. 70, nr 1
• Strony: 19--36
• Opis fizyczny: Bibliogr. 30 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Szajna Waldemar

• University of Zielona Góra, Institute of Civil Engineering, Prof. Zygmunta Szafrana 1 Street, 65-516 Zielona Góra, Poland
• TPA – Technical Research Institute, Parzniewska 8 Street, 05-800 Pruszków, Poland

• https://orcid.org/0000-0001-6230-768X

autor

Bondareva Liudmyla

• Kyiv National University of Construction and Architecture, 31 Povitroflotski avenue, 03037, Kyiv, Ukraine
• TPA – Technical Research Institute, Parzniewska 8 Street, 05-800 Pruszków, Poland

• https://orcid.org/0000-0001-7392-814X

autor

Szatanik Bartosz

• TPA – Technical Research Institute, Parzniewska 8 Street, 05-800 Pruszków, Poland

• https://orcid.org/0009-0009-8292-5704

Bibliografia

• [1] M.S.S. Almeida, M. Ehrlich, A.P. Spotti and M.E.S. Marques, “Embankment supported on piles with biaxial geogrids”, Geotechnical Engineering, vol. 160, no. 4, pp. 185–192, 2007, doi: 10.1680/geng.2007.160.4.185.
• [2] J. Chu, S. Varaksin, U. Klotz and P. Mengé, “State of the art report: Construction processes”, in 17th Int. Conf. on Soil Mechanics & Geotechnical Engineering: TC17 meeting ground improvement, Alexandria, Egypt, 7.10.2009, M. Hamza, et al., Eds. IOS Press, 2010, pp. 3006–3135.
• [3] B.R. Christopher, Ch. Schwarz and R. Boudreau, FHWA NHI-05-037. Geotechnical aspects of pavements. Washington, D.C., 2006.
• [4] J. Han, “Recent research and development of ground column technologies”, Ground Improvement, vol. 168, no. 4, pp. 246–264, 2015, doi: 10.1680/grim.13.00016.
• [5] S. Varaksin, B. Hamidi, N. Huybrechts and N. Denies, “Ground improvement vs. pile foundations?”, presented at ISSMGE – ETC 3 International Symposium on Design of Piles in Europe, Leuven, Belgium, 2016, pp. 1–48.
• [6] B. Simon, et al., Recommendations for the design, construction and control of rigid inclusion ground improvements (Amélioration des sols par inclusions rigides – ASIRI) National Project. Paris: Presses des Ponts, 2012.
• [7] M.D. Larisch, R. Kelly and T. Muttuvel, “Improvement of soft soil formations by drilled displacement columns”, in Ground improvement case histories: Embankments with special reference to consolidation and other physical methods, B. Indraratna, J. Chu, and C. Rujikiatkamjorn, Eds. Oxford: Elsevier, 2015, pp. 573–622.
• [8] B. Simon, “General report S5: Rigid inclusions and stone columns”, presented at ISSMGE – TC 211 Int. Symp. on Ground Improvement IS-GI, Brussels, May 31st & June 1st., 2012.
• [9] A. Krasiński, “Advanced field investigations of screw piles and columns”, Archives of Civil Engineering, vol. 57, no. 1, pp. 45–57, 2011, doi: 10.2478/v.10169-011-0005-5.
• [10] J. Han and M.A. Gabr, “Numerical analysis of geosynthetic reinforced and pile-supported earth platforms over soft soil”, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, vol. 128, no. 1, pp. 44–53, 2002, doi: 10.1061/(ASCE)1090-0241(2002)128:1(44).
• [11] K. Brzeziński and R.L. Michałowski, “Diffused arching in embankments supported by non-compliant columns with capping beams”, Computers and Geotechnics, vol. 132, pp. 1–12, 2021, doi: 10.1016/j.compgeo.2021.104031.
• [12] Y. Zhuang, S. Hu, X. Song, H. Zhang andW. Chen, “Membrane effect of geogrid reinforcement for Low highway piled embankment under moving vehicle loads”, Symmetry, vol. 14, no. 10, 2022, doi: 10.3390/sym14102162.
• [13] R. Rui, J. Han, Y. Ye, C. Chen and Y. Zhai, “Load transfer mechanisms of granular cushion between column foundation and rigid raft”, International Journal of Geomechanics, vol. 20, no. 1, 2020, doi: 10.1061/(ASCE)GM.1943-5622.0001539.
• [14] R.P. Chen, Y.W.Wang, X.W. Ye, X.C. Bian and X.P. Dong, “Tensile force of geogrids embedded in pile-supported reinforced embankment: A full-scale experimental study”, Geotextiles and Geomembranes, vol. 44, no, 2, pp. 157-169, 2016, doi: 10.1016/j.geotexmem.2015.08.001.
• [15] S.J.M. van Eekelen, A. Bezuijen, H.J. Lodder and A.F. van Tol, “Model experiments on piled embankments. Part I”, Geotextiles and Geomembranes, vol. 32, pp. 69–81, 2012, doi: 10.1016/j.geotexmem.2011.11.002.
• [16] P. Shen, C. Xu and J. Han, “Centrifuge tests to investigate global performance of geosynthetic-reinforced pile-supported embankments with side slopes”, Geotextiles and Geomembranes, vol. 48, no. 1, pp. 120–127, 2020, doi: 10.1016/j.geotexmem.2019.103527.
• [17] L. Briançon and B. Simon, “Performance of pile-supported embankment over soft soil: full-scale experiment”, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, vol. 138, no. 4, pp. 551–561, 2012, doi: 10.1061/(ASCE)GT.1943-5606.0000561.
• [18] D.J. King, A. Bouazza, J.R. Gniel, R.K. Rowe and H.H. Bui, “Load-transfer platform behaviour in embankments supported on semi-rigid columns: implications of the ground reaction curve”, Canadian Geotechnical Journal, vol. 54, no. 8, pp. 1158–1175, 2017, doi: 10.1139/cgj-2016-0406.
• [19] H.L. Liu, C.W.W. Ng and K. Fei, “Performance of geogrid reinforced and pile-supported highway embankment over soft clay: Case study”, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, vol. 133, no. 12, pp. 1483–1493, 2007, doi: 10.1061/(ASCE)1090-0241(2007)133:12(1483).
• [20] B. Ghosh, B. Fatahi, H. Khabbaz, H.H. Nguyen and R. Kelly, “Field study and numerical modelling for a road embankment built on soft soil improved with concrete injected columns and geosynthetics reinforced platform”, Geotextiles and Geomembranes, vol. 49, no. 3, pp. 804–824, 2021, doi: 10.1016/j.geotexmem.2020.12.010.
• [21] B. Chevalier, P. Villard and G. Combe, “Investigation of load transfer mechanisms in geotechnical earth structures with thin fill platforms reinforced by rigid inclusions”, International Journal of Geomechanics, vol. 11, no. 3, pp. 239–250, 2011, doi: 10.1061/(ASCE)GM.1943-5622.0000083.
• [22] M.T. Suleiman, L. Ni, C. Davis, H. Lin and S.S. Xiao, “Installation effects of Controlled Modulus Column ground improvement piles on surrounding soil”, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, vol. 142, no. 1, pp. 1–10, 2016, doi: 10.1061/(ASCE)GT.1943-5606.0001384.
• [23] H.H. Nguyen, H. Khabbaz and B. Fatahi, “A numerical comparison of installation sequences of plain concrete rigid inclusions”, Computers and Geotechnics, vol. 105, pp. 1–26, 2019, doi: 10.1016/j.compgeo.2018.09.001.
• [24] J. Wehr, M. Topolnicki and W. Sondermann, “Design risks of ground improvement methods including rigid inclusions”, presented at ISSMGE – TC 211 Int. Symp. on Ground Improvement, Brussels, Paper 35–22E, 2012.
• [25] J. Han, Principles and practices of ground improvement. New Jersey: J. Wiley & Sons, Inc., 2015.
• [26] Plaxis 2D Reference manual, Bentely Systems Incorporated, 2019.
• [27] J.J.M. Sluis, F. Besseling and P.H.H. Stuurwold, “Modelling of a pile row in a 2D plane strain FE-analysis”, in Numerical Methods in Geotechnical Engineering, M.A. Hicks, R.B.J. Brinkgreve and A. Rohe, Eds. London: Taylor & Francis Group, 2014, pp. 277–282.
• [28] T. Lunne, P.K. Robertson and J.J.M. Powell, Cone penetration testing in geotechnical practice. London: Blackie Academic, Chapman Hall, 1997.
• [29] S. Marchetti, P. Monaco, G. Totani and M. Calabrese, “The flat dilatometer test (DMT) in soil investigation”, A Report by the ISSMGE Committee TC16, in Proceedings. International Conference on In-Situ Measurement of Soil Properties. Bali, Indonesia, 2001, pp. 95–132.
• [30] M. Khabbazian, V.N. Kaliakin and C.L. Meehan, “Column supported embankments with geosynthetic encased columns: Validity of the unit cell concept”, Geotechnical and Geological Engineering, vol. 33, no. 3, pp. 425–442, 2015, doi: 10.1007/s10706-014-9826-8.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2024).