Identification of ground anchors reliability based on acceptance tests and the polynomial chaos expansion method

• Autorzy: Wyjadłowski Marek , Śpitalniak Michał , Zięba Zofia , Gajowniczek Łukasz

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2025.155115

Warianty tytułu

PL

Identyfikacja niezawodności kotew gruntowych na podstawie badań odbiorczych oraz metody rozszerzenia chaosu wielomianowego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents a reliability analysis of ground anchors based on acceptance tests and the polynomial chaos expansion method. First of all, it was estimated the probability of meeting the requirements of acceptance tests based on anchor tests realised within the S10 expressway near Bydgoszcz (Poland). The testing of grouted anchors is a mandatory requirement. The Test Method 3 TM3 was used in the given case, according to the EN ISO 22477-5:2018 standard. Based on the direct statistics of anchor displacement over a cycle of two measurements of 3 minutes and 15 minutes, creep velocity values were generated using the polynomial chaos expansion PCE and Monte Carlo MC methods. The polynomial chaos expansion is one of the available approaches to describe probability densities function PDF. The PCE method is an extension of techniques using the Fourier series or Taylor series. PCE is dedicated to density functions and is based on specific polynomial functions. The PoCET package, which is a set of computational tools in the Matlab environment, was used to carry out the calculations. Creep speeds calculated using the PCE method take into account possible inaccuracies in the time reading of the two measurements of 3 and 15 minutes. Based on the generated creep velocities, the Cornell reliability index ßc was estimated to meet the requirements of acceptance testing of ground anchors. The obtained values of the ßc meet the requirements for the RC3 reliability class for structures with a service life of 50 years.

PL

W artykule przedstawiono analizę niezawodności kotew gruntowych w oparciu o testy odbiorcze i metodę rozszerzenia chaosu wielomianowego.Wpierwszej kolejności oszacowano prawdopodobieństwo spełnienia wymagań badań odbiorczych na podstawie testów kotewwykonanychwciągu drogi ekspresowej S10 w okolicach Bydgoszczy (Polska). W analizowanym przypadku projekt konstrukcji oporowej w technologii ścianki szczelnej jednokrotnie kotwionej zrealizowano w celu zabezpieczenia skarpy. Kotwy gruntowe jako konstrukcje geotechniczne podlegają badaniom wstępnym, przydatności oraz badaniom odbiorczym i muszą spełniać wymagania stanu granicznego nośności i użytkowalności. Przeprowadzone w artykule analizy bazują na wynikach badań odbiorczych, które wymagały zmontowania stanowiska pomiarowego z niezależną bazą odniesienia. Na podstawie normy EN ISO 22477-5:2018 testy przeprowadzono metodą badawczą TM3. W metodzie tej kotwa jest obciążana stopniowo od obciążenia bazowego do maksymalnego, a przemieszczenie końca cięgna mierzy się w każdym stopniu obciążenia w celu oszacowania parametru prędkości pełzania i porównania z wartością dopuszczalną. Na podstawie uzyskanych bezpośrednich statystyk przemieszczeń głowicy kotew w cyklu dwóch pomiarów trwających 3 minuty oraz 15 minut wygenerowano wartości prędkości pełzania, stosując metodę rozszerzenia chaosu wielomianowego PCE oraz metodę Monte Carlo MC. Wprowadzono zmienną losową czasu, która uwzględnia niedokładności czasu pomiaru w odniesieniu do czasów normowych (3 min oraz 15 min). Do wykonania obliczeń wykorzystano pakiet PoCET, będący zestawem narzędzi obliczeniowych w środowisku Matlab. Prędkości pełzania obliczone metodą PCE uwzględniają możliwe odchyłki czasu odczytu przemieszczenia dla momentu 3 i 15 minuty testu. Na podstawie wygenerowanych prędkości pełzania oszacowano wskaźnik niezawodności Cornella ßc dla spełnienia wymagań badań odbiorczych kotew gruntowych. Uzyskane wartości wskaźnika niezawodności spełniają wymagania dla klasy niezawodności RC3 dla budowli o żywotności 50 lat.

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2025
• Tom: Vol. 71, nr 3
• Strony: 509--521
• Opis fizyczny: Bibliogr. 30 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Wyjadłowski Marek

• Wrocław University of Science and Technology, Faculty of Civil Engineering, Wroclaw, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-0411-952X

autor

Śpitalniak Michał

• Wrocław University of Environmental and Life Sciences, Institute of Environmental Engineering, Wroclaw, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-9801-9388

autor

Zięba Zofia

• Wrocław University of Environmental and Life Sciences, Department of Civil Engineering, Wroclaw, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-0106-3527

autor

Gajowniczek Łukasz

• Gollwitzer Polska Sp. z o.o., Katy Wroclawskie, Poland

• https://orcid.org/0009-0003-9254-6421

Bibliografia

• [1] J. Chalmovský, et al., “Statistical-Numerical Analysis for Pullout Tests of Ground Anchors”, The Baltic Journal of Road and Bridge Engineering, vol. 12, no. 3, pp. 145-153, 2017, doi: 10.3846/BJRBE.2017.17.
• [2] Z. Wu, S. Yang, Y. Wu, and X. Hu, “Analytical Method for Failure of Anchor-Grout-Concrete Anchorage due to Concrete Cone Failure and Interfacial Debonding”, Journal of Structural Engineering, vol. 135, no. 4, pp. 356-365, 2009, doi: 10.1061/(ASCE)0733-9445(2009)135:4(356).
• [3] H.M. Høgset, A.H. Høien, and C.C. Li, “Laboratory Investigations on the Mode of Failure in Frictional and Low-Cohesive Materials Under the Load of a Ground Anchor”, Geotechnical and Geological Engineering, vol. 42, no. 2, pp. 1035-1048, 2024, doi: 10.1007/S10706-023-02603-5.
• [4] H. Ostermeyer and A.D. Barley, Fixed Anchor Design Guidelines. Geotechnical Engineering Handbok, vol. 2. Ernst & Sohn, 2003.
• [5] EN 1997-1-2004, Eurocode 7: Geotechnical Design – Part 1: General Rules. Brussels: European Committee for Standardization, 2004, pp. 1-168.
• [6] EN 1537:2013 Execution of special geotechnical works – Ground anchors. Brussels: European Committee for Standardization, 2013.
• [7] A.Kędzior, M.Widera, and T. Zieliński, “Ancient and modern anastomosing rivers: insights from sedimentological and geomorphological case studies of the Triassic, Neogene and Holocene of Poland”, Geological Quarterly, vol. 65, no. 4, 2021, doi: 10.7306/GQ.1623.
• [8] M. Widera, L. Chomiak, and T. Zieliński, “Sedimentary Facies, Processes and Paleochannel Pattern of an Anastomosing River System: An Example from the Upper Neogene of Central Poland”, Journal of Sedimentary Research, vol. 89, no. 6, pp. 487-507, Jun. 2019, doi: 10.2110/JSR.2019.28.
• [9] EN ISO 22477-5:2018 Geotechnical investigation and testing – Testing of geotechnical structures – Part 5: Testing of grouted anchors (ISO 22477-5:2018). Brussels: European Committee for Standardization, 2018.
• [10] C. Santos, P.G. de Morais, and M.R. Carvalho, “Automated Ground Anchor Proof Testing”, Procedia Engineering, vol. 114, pp. 478-486, 2015, doi: 10.1016/J.PROENG.2015.08.095.
• [11] X. Hongfa, L. Hongbiau, and Q. Qian, “Creep damage effects of pulling grouting anchor in soil”, Chinese Journal of Geotechnical Engineering, vol. 24, no. 1, pp. 61-63, 2002.
• [12] H.F. Xu, F.J.Wang, and X.X. Cheng, “Pullout creep properties of grouted soil anchors”, Journal of Central South University of Technology (English Edition), vol. 14, no. 1 SUPPL., pp. 474-477, 2007, doi: 10.1007/S11771-007-0310-Y.
• [13] M. Wyjadłowski, J. Kozubal, and W. Damsz, “The historical earthworks of the Warsaw Citadel”, Sustainability (Switzerland), vol. 12, no. 18, 2020, doi: 10.3390/SU12187695.
• [14] M. Wyjadłowski, J.V. Kozubal, Z. Zięba, D. Steshenko, and D. Krupowies, “Evaluation of Anthropogenic Substrate Variability Based on Non-Destructive Testing of Ground Anchors”, Materials, vol. 14, no. 18, art. no. 5131, 2021, doi: 10.3390/MA14185131.
• [15] K.A. Pease and F. Kulhawy, “Behavior Of rock anchors and sockets”, presented at 25th U.S. Symposium on Rock Mechanics (USRMS), Evanston, Illinois, 1984.
• [16] G.S. Littlejohn and D.A. Bruce, “Rock anchors-state of the art. Part 1: Design”, May 1975.
• [17] O. Moller, B. Simpson, C.M. Merrifield, and E.R. Farrell, “European practice in ground anchor design related to the framework of EC7”, in 18th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering (Paris). Paris, 2013, pp. 1835-1838.
• [18] K.K.K. Kim, D.E. Shen, Z.K. Nagy, and R.D. Braatz, “Wiener’s polynomial chaos for the analysis and control of nonlinear dynamical systems with probabilistic uncertainties”, IEEE Control Systems Magazine, vol. 33, no. 5, pp. 58-67, 2013, doi: 10.1109/MCS.2013.2270410.
• [19] C. Lacor and É. Savin, “General introduction to polynomial chaos and collocation methods”, in Notes on Numerical Fluid Mechanics and Multidisciplinary Design, vol. 140. Springer Verlag, 2019, pp. 109-122, doi: 10.1007/978-3-319-77767-2_7.
• [20] B. McKenzie, “Polynomial Chaos Expansions for Random Ordinary Differential Equations”, M.A. thesis, Oregon State University, 2012.
• [21] V. Heuveline and M. Schick, “A hybrid generalized polynomial chaos method for stochastic dynamical systems”, International Journal for Uncertainty Quantification, vol. 4, no. 1, pp. 37-61, 2014, doi: 10.1615/INT.J.UNCERTAINTYQUANTIFICATION.2012004727.
• [22] A. Mesbah, S. Streif, R. Findeisen, and R.D. Braatz, “Stochastic nonlinear model predictive control with probabilistic constraints”, in Proceedings of the American Control Conference. Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., 2014, pp. 2413-2419, doi: 10.1109/ACC.2014.6858851.
• [23] J.A. Paulson, D.M. Raimondo, R. Findeisen, R.D. Braatz, and S. Streif, “Guaranteed active fault diagnosis for uncertain nonlinear systems”, in 2014 European Control Conference, ECC 2014. Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., 2014, pp. 926-931, doi: 10.1109/ECC.2014.6862510.
• [24] S. Streif, F. Petzke, A. Mesbah, R. Findeisen, and R.D. Braatz, “Optimal Experimental Design for Probabilistic Model Discrimination Using Polynomial Chaos”, IFAC Proceedings Volumes, vol. 47, no. 3, pp. 4103-4109, 2014, doi: 10.3182/20140824-6-ZA-1003.01562.
• [25] A. Mesbah and S. Streif, “A Probabilistic Approach to Robust Optimal Experiment Design with Chance Constraints”, IFAC-PapersOnLine, vol. 48, no.8, pp. 100-105, 2015, doi: 10.1016/J.IFACOL.2015.08.164.
• [26] F. Petzke, A. Mesbah, and S. Streif, “PoCET: a Polynomial Chaos Expansion Toolbox for Matlab”, IFAC-PapersOnLine, vol. 53, no. 2, pp. 7256-7261, 2020, doi: 10.1016/J.IFACOL.2020.12.560.
• [27] EN 1990:2023 Eurocode – Basis of structural and geotechnical design. Brussels: European Committee for Standardization, 2023.
• [28] 2020 Brussels: European Committee for Standardization, prEN 1990:202x Eurocode: Basis of structural and geotechnical design (draft 09-2020). Brusseles, 2020.
• [29] J. Kalicki and M. Mitew-Czajewska, “Single Bore Multiple Anchors – conclusions based on anchor tests”, Archives of Civil Engineering, vol. 68, no. 4, pp. 63-76, 2022, doi:10.24425/ace.2022.143026.
• [30] J. Feng, J. Chen, J. Li, Y. Zhang, J. Guo, and H. Qiu, “An early warning method for a slope based on the increment ratio of anchor cable internal force”, Archives of Civil Engineering, vol. 69, no. 1, pp. 553-569, 2023, doi: 10.24425/ace.2023.144188.