Plastic anisotropy and destructuration of soft Finnish clays

Transkriptio

1 Väitöstyö: Plastic anisotropy and destructuration of soft Finnish clays Mirva Koskinen

2 Sisältö Yleistä Tavoitteet Menetelmät Tulokset Johtopäätökset

3 Tärkeät henkilöt Työn ohjaaja: prof. Minna Karstunen, Chalmers Työn valvoja: prof. Leena Korkiala-Tanttu, Aalto yliopisto Esitarkastajat: prof. Tim Länsivaara, TTY prof. Sarah Springman, ETH Zürich Vastaväittäjä: prof. Steinar Nordal, Trondheim

4 Tieteelliset artikkelit Koskinen, M., Zentar, R. and Karstunen, M Anisotropy of reconstituted POKO clay. Proceedings of the VIII International Symposium on Numerical Models in Geomechanics Karstunen, M. and Koskinen, M Plastic anisotropy of soft reconstituted clays. Canadian Geotechnical Journal Koskinen, M., Karstunen, M. and Wheeler, S.J Modelling de-structuration and anisotropy of a natural soft clay. Proceedings of the 5th European Conference on Geotechnical Engineering Koskinen, M., Karstunen, M. and Lojander, M Yielding of ideal and natural anisotropic clays. Proceedings of International Workshop on Geotechnics of Soft Soils Theory and Practice Karstunen, M. and Koskinen, M Anisotropy and destructuration of Murro clay. Advances in geotechnical engineering The Skempton Conference Karstunen, M., Krenn, H., Wheeler, S.J., Koskinen, M. and Zentar, R Effect of anisotropy and destructuration on the behaviour of Murro test embankment. International Journal of Geomechanics Koskinen, M. and Karstunen, M Numerical modelling of Murro test embankment with S-CLAY1S. Proceedings of the 6th European Conference on Numerical Methods in Geotechnical Engineering Koskinen, M. and Karstunen, M The effect of structure on the compressibility of Finnish clays. SGF Report 3:2004, Proceedings of XIV Nordic Geotechnical Meeting Karstunen, M. and Koskinen, M Undrained shearing of soft structured natural clays. Proceedings of the IX International Symposium on Numerical Models in Geomechanics Koskinen, M., Karstunen, M. and Korkiala-Tanttu, L On the evolution of anisotropy in natural soft clays. Submitted for publication in Géotechnique Letters.

5 Tavoitteet

6 Tavoitteet Tarvitaan parempia ja tarkempia työkaluja pehmeiköille rakentamisen geotekniseen suunnitteluun, jotta saavutettaisiin teknistaloudellisesti parempia rakenteita -> tarvitaan parempia materiaalimalleja Tavoitteena suunnitella ja toteuttaa kattava sarja geoteknisiä laboratoriokokeita Kokeiden avulla tavoitteena validoida materiaalimalleja S- CLAY1 ja S-CLAY1S

7 Taustaa Saven rakenne koostuu siitä miten partikkelit ovat järjestäytyneet (anisotropia) partikkelien välisistä sidoksista Plastiset muodonmuutokset aiheuttavat muutoksia rakenteeseen partikkeleiden järjestyneisyys muuttuu partikkelien väliset sidokset tuhoutuvat (destrukturaatio)

8 Materiaalimalli S-CLAY1S

9 S-CLAY1S q M 1 1 a xp' mi p' mi p' m p'

10 S-CLAY1S 0 ' ') ' )( ( ') ( M p p p p q f m a a m p mi x p ' ) (1 ' dq dp G vp d d e d e v ' ' ' p v mi mi d vp dp ' ' p d p v d d d a a a p d p v p d p v d b d ax d x b d x a dx ) (0 ) (0 2 2 ) 2( a M p v p d d d 0 ' ' ' ' a da f dx x f dp p f dq q f dp p f mi mi

11 S-CLAY1S parametrit 1/2 Parametri Suositeltava koetyyppi Vaihtoehtoinen tapa Näyte Kokeiden määrä M,, a 0 Avoin kolmiaksiaalikoesarja (CD) Suljettu kolmiaksiaalikoesarja (CU) Luonnontilainen >3 n' Kolmiaksiaalisen konsolidointikokeen palautusvaihe Oletus n =0.2 Luonnontilainen >3,,, p' m0 Ödometrikoe Kolmiaksiaalinen konsolidointikoe tai koesarja Luonnontilainen >1 v 0 Peruskäsittely Luonnontilainen >1

12 S-CLAY1S parametrit 2/2 Parametri Suositeltava koetyyppi Vaihtoehtoinen tapa Näyte Kokeiden määrä i Ödometrikoe Kolmiaksiaalinen konsolidointikoe Rakennettu tai luonnontilainen >1 a, b Kaksi kolmiaksiaalista konsolidointikoetta (jännityssuhteet lähellä isotrooppista ja kriittistä tilaa) Vakioarvot Luonnontilainen >2 x 0 Kartiokoe, x 0 S t -1 Kolmiaksiaalinen konsolidointikoe tai koesarja Luonnontilainen >1 Asettamalla destrukturaatioparametrit a=b=x=0 -> S-CLAY1 Asettamalla anisotropiaparametrit ==a=0 -> Modified Cam Clay

13 Menetelmät

14 Menetelmät Koemateriaalina neljä pehmeää savea eri puolilta Suomea Geotekninen laboratoriokoesarja käsitti luokituskokeita, ödometrikokeita, kolmiaksiaalisia konsolidointikokeita sekä suljettuja ja avoimia kolmiaksiaalikokeita Kokeita tehtiin sekä luonnontilaisille että rakennetuille näytteille

15 Näytteen rakentaminen

16 Näytteen rakentaminen 15 kpa Mäntä jossa reikiä Pleksiputki Huokoskivet Rakennettu savinäyte Huokospaperit Mäntä jossa reikiä

17 Näytteen rakentaminen

18 Näytteen rakentaminen

19 q (kpa) q (kpa) Konsolidointikokeet a) b) CSL CAE 3516R yield points stress path Initial natural yield curve CSL CAE 2544 yield points stress path (p' 0max, q 0max ) (p' 1max, q 1max ) (p' 2max, q 2max ) 0 (p' y1, q y1 ) (p' y2, q y2 ) (p' y2, q y2 ) 2 (p' 2max, q 2max ) p' (kpa) (p' y1, q y1 ) 1 (p' 1max, q 1max ) Yield curve created by loading with 1 p' (kpa)

20 Tulokset

21 Luokitusominaisuudet Otaniemi POKO Murro 4 m Murro 7 m Vanttila Vesipitoisuus % Sensitiivisyys >50 Savipitoisuus % Humuspitoisuus % Suljettu leikkauslujuus kpa Juoksuraja % 0,

22 q (kpa) q (kpa) Otaniemen savi a) Natural Otaniemi clay m b) p' (kpa) p' (kpa) Yield points Yield curve M=1.3 a=0.458 a=0.496 p'm=49 m =19.5 kpa kpa Reconstituted Otaniemi clay m Yield points Yield curve M=1.3 a=0.424 a=0.458 p'm=49 m =26.3 kpa maximum stress in loading with K0 =0.65 a) Triaxial tests Oedometer tests Intrinsic value b)

23 a/m Tasapainoarvot a/m /M= /Moo /M Otaniemi Murro 7m Otaniemi Rec Murro Rec 7m -0.6 Murro 4m Vanttila Murro Rec 4m Vanttila Rec -0.8 POKO POKO Rec

24 Parametrin vaikutus CAE 3519R Otaniemen savelle, rakennettu näyte 1 = =0.52 ln p' 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 0,00 0,05 v 0,10 0,15 0,20

25 Parametrin vaikutus CAE 3519R Otaniemen savelle d -0,08-0,06-0,04-0,02 0,00 0,02 0,04 0, q (kpa)

26 Parametrin vaikutus CAE 3519R Otaniemen savelle d -0,08-0,06-0,04-0,02 0,00 0,02 0,04 0,06 0,00 0,05 v 0,10 0,15 CAE 3519R ,20

27 Simulaatiot rakennetuille näytteille CAE 3216R Murron savelle 1 = =0.60 ln p' 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 0,00 0,05 v 0,10 0,15 0,20

28 Simulaatiot rakennetuille näytteille CAE 3216R Murron savelle d -0,06-0,04-0,02 0,00 0,02 0,04 0, q (kpa)

29 Simulaatiot rakennetuille näytteille CAE 3216R Murron savelle d -0,06-0,04-0,02 0,00 0,02 0,04 0,06 0,00 0,05 v 0,10 0,15 0,20

30 Parametrin a vaikutus CID 2291 Otaniemen savelle, luonnontilainen näyte 1 = =0.10 0,00 0,05 ln p' 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 0,10 0,15 v 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 dx ax d p v bd p d

31 Parametrin a vaikutus CID 2291 Otaniemen savelle d -0,03-0,02-0,02-0,01-0,01 0, q (kpa)

32 Parametrin a vaikutus CID 2291 Otaniemen savelle d -0,03-0,02-0,02-0,01-0,01 0,00 0,00 0,05 0,10 0,15 v 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45

33 Parametrin b vaikutus CAD 2260 Otaniemen savelle, luonnontilainen näyte 1 = =0.10 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 ln p' 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 v 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50

34 Parametrin b vaikutus CAD 2260 Otaniemen savelle, luonnontilainen näyte d 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0, q (kpa)

35 Parametrin b vaikutus CAD 2260 Otaniemen savelle, luonnontilainen näyte c) d 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 v 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50

36 Murron koepenger

37 z (m) Murron koepenger w (%) Hm-% Cl-% S t s p (kpa)

38 z (m) z (m) Murron koepenger a) s u (kpa) b) s u (kpa) Before construction 5 8 years after construction undisturbed soil disturbed soil 25 25

39 Murron koepenger p mi tasa-arvokäyrät a) 1 vuosi ja b) 10.4 vuotta rakentamisen jälkeen

40 Murron koepenger x tasa-arvokäyrät a) 1 vuosi ja b) 10.4 vuotta rakentamisen jälkeen

41 Johtopäätökset

42 Johtopäätökset 1/2 Saven rakenne on merkittävä tekijä sen muodonmuutoskäyttäytymisessä. S-CLAY1 -malli huomioi anisotropian vaikutuksen. S-CLAY1S malli huomioi lisäksi partikkelien välisten sidosten vaikutuksen. Tehtiin 15 konsolidointikoetta rakennetuille näytteille ja 37 konsolidointikoetta luonnontilaisille näytteille, lisäksi ödometrikokeita sekä suljettuja ja avoimia kolmiaksiaalikokeita. Konsolidointikokeet sekä suljetut kokeet simuloitiin jännityspistetasolla em. malleilla ja rakennetut näytteet vertailun vuoksi isotrooppisella MCC -mallilla. Anisotrooppisella mallilla pystyttiin mallintamaan paremmin rakennettujen näytteiden käyttäytymistä kuin isotrooppisella mallilla. Myötöpinnan muoto on koetulosten perusteella realistinen. Myötöpisteet tulee määrittää lineaarisista p -v (tai v ) kuvaajista. Myötöpinnan kiertymislaki on koetuloksiin perustuen sopiva saven mallintamiseen.

43 Johtopäätökset 2/2 Parametri voidaan määrittää -arvon perusteella. Parametri x voidaan määrittää sensitiivisyyden avulla. Parametrit a ja b tulee mieluiten määrittää koesimulaatioiden avulla, joskin tähän mennessä tehtyjen simulaatioiden perusteella on mahdollista käyttää vakioarvoja a=10 ja b=0.2. S-CLAY1S mallilla pystytään mallintamaan myötöpehmenemistä suljetussa tilassa. Kaikki parametrit voidaan määrittää tavanomaisista laboratoriokokeista. Murron koepenkereen muodonmuutoksia voitiin mallintaa S-CLAY1 ja S-CLAY1S - malleilla realistisesti. Mallit eivät tässä muodossaan huomioi aikavaikutusta. Mallit soveltuvat oikeiden rakenteiden laskentaan, ja niitä voidaan hyödyntää mallien jatkokehittelyssä.