Evaluation of Small-strain stiffness of Tiller-Flotten Quick Clay and its Anisotropy using Bender Elements

Abstract

Jordegenskaper ved lav tøyning er veldig viktig i mange praktiske geotekniske problemer og seismologi aspekter. Redegjørelse av disse parameterne, inkludert skjærbølgehastighet, tilsvarende lav-tøyning skjærmodulus (Gmaks) og stivhets anisotropi ser ut til å være nødvendig når man skal beskrive oppførselen til bevegelsene av jord i grunnen og geoteknisk modellering. Prinsipielt, måling av skjærbølge hastighet kan bli benyttet som en komplementær prediksjon av leirens mineralogi og klassifisering av jord grunnet sensitiviteten for oppbygning, småskala uensartethet og anisotropi. Videre, den fornuftige korrelasjonen av Vs og Gmaks med de mekaniske jordegenskapene gir et nyttig grunnlag for en bedre evaluering av disse parameterne. I denne studien er det utført en eksperimentell undersøkelse hvor identifikasjon av skjærbølgehastigheten ved bruk av benderelement-teknikken kombinert med resultater fra treaksialt skjærforsøk på norsk sensitiv myk leire ved ulike orienteringer av prøver. Prøvene er hentet fra både mini-blokk og stor-blokk og er konsolidert isotropisk ved varierende vertikale spenninger. Skjærbølgehastigheten og polarisering ble konsekvent målt i tre retninger (VH, HH, HV) ved bruk av benderelement-teknikken. Resultatene indikerer et høyt antall faktorer som påvirker maksimum skjærmodulus, som konsolideringspenning, poretall, avsetningsvinkel, interpartikkel bindinger. Videre er forholdet mellom vertikal spenning og maksimum skjærmodulus (Gmaks) tatt hensyns til. For de store blokkprøvene ble det observert 150 m/s≤Vs(vh)≤173 m/s, litt høyere enn mini blokkprøvene som målte 120 m/s≤Vs(vh)≤164 m/s ved samme dybde og spenningsnivå, som gjenspeiler effekten av prøvetype på prøvekvaliteten. Videre ble effektene av langsiktige lagringstiden på Gmaks og stivhets anisotropi ved lav-tøyning spekteret undersøkt på både ferske og gamle prøver. Mindre spredning av resultatene etterfulgt av en forsiktig, ikke-lineær økning av Gmaks med en økning av isotropisk vertikal spenning ble observert for den ferske prøven (definert som riktig ekstrahert, transportert, lagret under passende forhold og testet så snart som mulig), mest merkverdig for den ferske prøven fra overflaten med en høyere OCR. Prøven fra mini-blokken med noen få dager lagring opplevde imidlertid liten Gmaks nedbrytning forårsaket av tre etterfølgende måneder med lagring ved tilstrekkelig lagring. Det ble derfor konkludert med at Ghh er større enn Ghv og Gvh. Skjærmodulus anisotropi-forholdet Ghh/Gvh-verdiene på slutten av den primære isotropiske konsolideringen ble funnet til å ligge innenfor området 1,22 og 1,44 i denne undersøkelsen. Prøvene som er hentet fra større dybder hadde en tendens til å vise en høyere grad av materialanisotropi når de ble utsatt for et høyere tilsvarende spenningsnivå. På samme måte var graden av materialanisotropi høyere for ferske prøver enn der gamle prøver stammer fra, spesielt en høyere OCR og materialer av ferske prøver. Sammenlikningen med tidligere relevante funn for kvikkleiren fra Flotten antyder en høyere grad av usikkerhet på lavspenningsnivået enn ved høyt spenningsnivå for Gmaks måling og et bredere spekter av målt grad av opprinnelig materialanisotropi fra 1.22 til 1,88 avhengig av påført spenningsnivå som er relativt betydelig for Flotten kvikkleire.

Small-strain soil properties are of crucial importance in many practical geotechnical problems and seismology aspects. Determination of these parameters, including shear wave velocity (Vs), corresponding small strain shear modulus (Gmax), and stiffness anisotropy seem to be necessary when describing the behavior of soil in ground movements, and geotechnical modeling. In principle, shear wave velocity measurement can be utilized as a complementary predictor of clay mineralogy and soil classification due to its sensitivity to structure, small-scale heterogeneity, and anisotropy. Moreover, the reasonable correlation of the Vs and Gmax with the soil mechanical properties provides a useful basis for better evaluation of these parameters. In this research, an experimental study performed to identify the shear wave velocity using the bender element technique incorporated with the triaxial test for Norwegian sensitive soft clay at different orientations. The specimens taken from both mini-block and big-block were isotropically consolidated under various confining pressures. Consequently, the shear wave velocities propagating at three different directions (VH, HH, HV) and polarization were measured by the bender element technique. The results indicate that there are a large number of factors influencing maximum shear modulus, such as consolidation stress, void ratio, depositional angle, and inter-particle bonding. Meanwhile, the relationships between average confining pressure and maximum shear modulus (Gmax) was also entirely addressed. The vertical shear wave velocity was obtained for big-block within the range of 150 m/s≤Vs(vh)≤173 m/s that was slightly higher than measured values for mini-block 120 m/s≤Vs(vh)≤164 m/s with various mean effective stress after 24-hour consolidation, reflecting the effect of the diameter of the sample on sample quality. Moreover, the influence of the aging on Gmax and stiffness anisotropy at the small-strain range was investigated using both fresh and old samples. The less dispersion of results followed by a gentle non-linear increase of Gmax with an increase of isotropic mean stress was observed for the fresh sample (defined as properly extracted, transported, stored under appropriate conditions, and tested as soon as possible), particularly for the fresh sample from the surface with higher OCR. The fresh specimen from mini-block, however, experienced little Gmax degradation caused by the subsequent three months of storage under appropriate conditions. It was, therefore, concluded that Ghh became larger than Ghv and Gvh. The Shear modulus anisotropy ratios Ghh/Gvh values at the end of primary isotropic consolidation were found to be within the range of 1.22 and 1.44 in this research. The samples taken from greater depth tended to exhibit a higher degree of fabric anisotropy when subjected to the higher corresponding stress level. Likewise, the degree of fabric anisotropy was higher for fresh samples than old samples that could be due to having higher OCR, and original fabric of the fresh samples. The comparison with previous relevant findings suggests a higher degree of uncertainty at low-stress level than that of high-stress level for Gmax measurement. Additionally, the measured degree of fabric anisotropy has been reported up to 1.88 when applying higher stress level which is relatively significant for Flotten quick clay.