Unsaturated Soil Mechanics in a Norwegian Perspective
Master thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/2779397Utgivelsesdato
2020Metadata
Vis full innførselSamlinger
Beskrivelse
Full text not available
Sammendrag
Denne oppgaven utforsker infiltrasjonkarakteristikker i umettet jord. Hovedforskjellen mellommettet og umettet jord er at luft og vann er tilstede samtidig i porevolumene i sistnevnte. Overflatespenningenemellom luft og vann bidrar til sug i kornskjellettet som igjen bidrar til styrkenog stabiliteten til jorda. Til tross for at mesteparten av løsmasser nær overflater er umettet hardet ikke vært vanlig å regne på umettet jord i tradisjonell geoteknikk. De fleste jordskred utløstav regn forekommer i skråninger bestående av umettet jord og kan kobles til tapet av dissesugkreftene ettersom regn infiltrerer og fyller porevolumet.Ved hjelp av elementmetodeprogrammet Plaxis 2Dble infiltrasjonskarakteristikker til to jordtyperundersøkt. To ulike modeller ble utsatt for ekstremnedbør over flere dager: én med skråningsvinkelpå 15 grader og én på 40 grader. Jordtypene silt og "sandy loam" definert av USDA-datasettet fraPlaxis ble testet i begge skråningsmodellene. Styrkeparametre for jordtypene ble optimalisertfor å få lesbare resultater. I tillegg til analyser av infiltrasjonskarakteristikker ble resultatene fradisse undersøkelsene brukt til å studere Plaxis’ evne til å representere umettet jord.Som forventet ble det i etterkant av analysene observert at sikkerhetsfaktorene til skråningenegikk ned som konsekvens av den påførte nedbøren.Det ble sett at analysemodellen fully-coupled flow-deformations i Plaxis ikke er sensitiv forstrømingsretninger når skråningsstabilitet beregnes. Sikkerhetsfaktorer beregnet i egen fasemed analysemodell safety ga verdier under 1 for skråninger som ble gjennomført med suksessav førstnevnte analysetype.Det ble observert egne bruddmekanismer for de to ulike skårningsvinklene. Modellen medbrattest skråning (40 grader) utviste et grunt overflatebrudd likt overflatestabilietseksempler. I modellenmed skråningmed helning på 15 grader ble det til slutt observert en bruddmekanisme som ligneten tåsirkel. Krumningen på den sirkelen fulgte strømningsmønsteret i området.Infiltrasjonen inn i jordartene så ut til å opptre som en fullt mettet oppmetningsfront. Detligner på den generaliserte oppmetningsmodellen kjent som Green-Ampt.I den mest permeable av de to jordartene, sandy loam, ble det observert oppbygning av (negativtifølge Plaxis-definisjonen) poretrykk like i overkant av oppmetningsfronten. Dette kommertrolig av den store ulikheten i permeabiliteter i området. Infiltrerende vann renner heller sideviveis gjennom andre fullt oppmettede områder enn å bidra til videre infiltrasjon og oppmettingav de underliggende, umettede sonene. Den poretrykksoppbygningen fulgte oppmetningsfrontenvertikalt nedover og trykket over oppmetningsfronten gikk tilbake til verdier av sug når frontenhadde passert.Relativ permeabilitet er som kjent en funksjon av metningsgraden. Resultater fra denne analysentyder på at relativ permeabilitet er avhengig såvel av metningsgrad som av poretrykket underinfiltrasjon.Grafisk fremvisning av resultater fra denne undersøkelsen stemmer godt overens med infiltrasjonsmodellenepresentert av Plaxis 2D i materialer-menyen. Dette tyder på at Plaxis 2Danvender disse funksjonene i Fully coupled flow-deformations-analysene. This thesis explores the field of infiltration characteristics in unsaturated soil. Unsaturated soilsdiffer from saturated soil theory due to the presence of both air and water in the pore volume.The presence of the two phases creates suction forces which contribute to the strength and stabilityof the soil. Despite the majority of near-surface soil being under unsaturated conditionsapplication of unsaturated soil theory in geotechnical engineering has not been common. Mostrainfall induced landslides takes place in unsaturated soil slopes and can be linked to the loss ofsuction occurring as rain infiltrates the pores and increases saturation.A numerical investigation using the finite element software Plaxis 2D is performed to investigatethe infiltration characteristics of two different soil types. Two different cross sectionswith inclined ground water tables and slopes of 15 degres and 40 degres were subject to heavy rainfall overseveral days. Silt and sandy loam defined by the USDA database are tested for both slope models.Soil input parameters were adapted to optimise the tests. Results were examined to revealinfiltration characteristics of the soil types. The results were also used to evaluate Plaxis 2D’sperformance in representing unsaturated soil behaviour.As expected it was observed that the factor of safety for the slopes decreased as infiltrationtook place.It was revealed that the Fully coupled flow-deformations analysis was not sensitive to directionof flow when considering slope stability. Connected safety calculations gave values below 1for slopes successfully calculated by the fully coupled analysis.The observed failure mechanisms were different in the gentle and steep slopes. Failure wasobserved as shallow for the steep slope, resembling infinite slope failure examples. In the caseof the gentle slope a deeper toe circle eventually formed which followed the direction of thegroundwater flow.Vertical infiltration was observed to act like an advancing fully saturated front much like thepiston known from the Green-Ampt infiltration model.In USDA sandy loam, which is a more permeable soil than silt, a build-up of (by Plaxis definitionnegative) pore pressure at the wetting front was observed. It is belied this was due to thesignificant differences in permeability to the underlying unsaturated zone causing infiltratingwater to flow sideways in the saturated layer instead of causing infiltration downwards. Thisbuild-up of pore pressures dissipated and small values of suction forces returned as the wettingfront advanced vertically.The relative permeability is known to be a function of the saturation levels. Results in thesissuggest that during infiltration the relative permeability depends on the pore pressure levels aswell as on the saturation.Graphical plotting of results from the investigation shows good agreement with soil permeabilityfunctions provided by Plaxis suggesting these are incorporated in the fully coupled flowdeformations.