Characterisation of excavation-induced soil displacement

Abstract

Dype byggegroper i bløt leire kan bidra til uforventede store setninger, som kan danne store skader på nærliggende konstruksjoner. Under design av avstivningssystemer i dype byggegroper, forkommer det usikkerhet ved estimering av omliggende setninger. Tidligere forskningsarbeid har utviklet ulike metoder for å estimere hvordan setninger nær dype byggegroper utvikles. Tidligere metoder mangler imidlertid nøyaktige og anvendbare metoder for å estimere vertikal og horisontal jordforskyvning, samt avbøyningen av veggen. En nøyaktig og kontrollert prediksjon av overflatesetninger i en dyp utgravning kan sikre pålitelige vurderinger av potensielle innvirkninger på omgivelsene, samt avverge omfattende skader på menneskeliv og materielle verdier. Å definere parametere for å forutsi utgravningsinduserte jordforskyvninger er fortsatt en viktig del av designfasen. Selv om komplekse numeriske modeller tas i bruk i designfasen og kan gi nøyaktige estimater på jordoppførsel, gjenstår ofte utfordringen med å predikere en tilstrekkelig evaluering av jordforskyvninger på grunn av dype utgravninger. Dermed følger det en usikkerhet ved hvorvidt numeriske modeller kan predikere jordforskyvninger presist nok nær dype byggegroper.

I denne oppgaven er numerisk modellering (dvs. PLAXIS 2D og FEM) tatt i bruk for å karakterisere jordoppførsel i bløt leire, samt for å evaluere det spesielle problemet med jordforskyvninger ved siden av en dyp utgraving. Et velutført laboratorieeksperiment basert på geoteknisk sentrifugetesting er benyttet for å kunne gjenskape resultater i en numerisk modell. Sentrifugetesten gir data og resultater fra en typisk dyp utgraving med støttevegg og innvendige ankere i bløt leire. Resultater fra sentrifugetesten er sammenlignet med resultater fra den numeriske modellen, og har gitt indikasjoner på opptreden og påliteligheten til den numeriske modellen. Validering av den numeriske modellen vurderer jordoppførselen, inkludert jordtrykk, jordforskyvninger og spenning-tøyningstilstanden. Relevante jordmodeller evalueres etter evne til å implisere resultatene fra sentrifugetesten, og er videre tatt i bruk for å evaluere ukjente inngangsparametere i en sensitivitetsanalyse . Det er funnet at Hardening Soil Small-modellen ga bedre resultater enn de andre jordmodellene. Dette var forventet på grunn av høyere kompleksitet i HSS-modellen som gjør det mulig å replikere en reel jordoppførsel bedre. Basert på denne observasjonen ble HSS-modellen videreutviklet for å oppnå en såkalt kalibrert modell. Den kalibrerte modellen ble brukt til å studere usikre parametere i en parametervariasjonsanalyse, som stivhet av støttevegg. En anvendelig numerisk modell er valgt for å undersøke hvordan andre vitale parametere påvirker bakkenes forskyvning, for eksempel støtteveggen bøyestivhet.

Oppgaven undersøker hvordan usikre parametere, som veggstivhetsegenskaper, påvirker de vertikale og horisontale forskyvninger nær en dype byggegrop. Parameter variasjonene av veggstivheten avslører at bøyestivheten spiller en avgjørende rolle i jordforskyvninger, mer betydelig enn aksialstivhet og veggens vekt. Det ble observert en økning i vertikal og horisontale jordforskyvinger ved mer fleksible støttevegger (dvs. redusert bøyestivhet) og en reduksjon i jordforskyvninger for økt bøyestivhet. I tillegg påvirker bøyestivhetsverdiene de vertikale og horisontale forskyvningsprofilene. Et interessant funn er at posisjonen til maksimal vertikal og horisontal forskyvning har en tendens til å bevege seg mot støtteveggen for mer fleksible støttevegger. Den maksimale vertikale forskyvningen ved siden av støtteveggen øker når den bøyestivheten reduseres, mens maksimale horisontale forskyvninger ved siden av veggen har en tendens til å forbli den samme. Relasjonene avslører i lineære korrelasjoner i semilogaritmisk skala og gir en dypere forståelse av hvordan veggstivhetsegenskapene påvirker den vertikale og horisontale jordforskyvningen og veg defleksjonen .

Samlet sett indikerte den kalibrerte modellen relative, korresponderende estimater av vertikal og horisontal forskyvning basert på veldokumentert sentrifugetest. Modellen var i stand til å utføre en sensitivitetsanalyse og parametervariasjon, og ga dypere kunnskap om hvordan usikre parametere påvirker jordforskyvningen i en dyp utgravning. Videre arbeid kan basere seg på at den beskrevne kalibrerte modellen kan adopteres for å undersøke flere parametere av interesse, som for eksempel stivhet av anker.

Deep excavations in soft clay may contribute to unexpected large settlement and further causesevere damage to adjacent constructions. When designing bracing system in a deep excavation,there is a certain uncertainty for predicting the surrounding ground surface settlement. Previ-ous research acquire different prediction methods of how ground settlements adjacent to deepexcavations develop. However, these existing methods indicate a lack of accurate and applica-ble methods for estimating the vertical and horizontal ground displacement, as well as the walldeflection. An accurate and controlled prediction of surface settlements due to a deep excava-tion, could ensure reliable assessments of the potential impact on the surrounding. Defininguncertain parameters to predict excavation-induced ground movements, remains a vital part ofthe design phase. Although complex numerical models is able to estimate quite accurate soilbehaviour and are widely adopted in the design phase, challenges remains when their perfor-mance in predicting ground displacements caused by deep excavations is often not adequatelyevaluated. Consequently, uncertainty in how well these numerical model can predict grounddisplacements adjacent to deep excavations remains.

This work explored numerical modelling (i.e. PLAXIS 2D and FEM) to characterize the soil be-haviour of soft clay, in order to evaluate the particular problem of ground displacement adjacentto a deep excavation. A well-described laboratory experiment based on geotechnical centrifugetesting is adopted as to achieve a replication in a numerical model. The centrifuge test pro-vides data and results from a typical deep excavation with retaining wall and internal propsin soft clay. The centrifuge experimental result is compared with the numerical model result,and provides indication of the performance and reliability of the numerical model. The vali-dation of the numerical model considered an assessment of the soil behaviour including earthpressure, ground displacements and stress-strain performance. Relevant constitutive models ispresented to explore their ability to capture the centrifuge test results, and further evaluate theunknown input parameters in a sensitivity analysis. It is found that the Hardening Soil Smallmodel performed better than the other constitutive models (i.e. Mohr-Coulomb and Harden-ing Soil model). This finding was expected, due to higher complexity of the HSS model whichenables to better replicate real soil behaviour. Based on this observation, the HSS model was further developed to obtain a so-called calibrated model. This calibrated model was utilisedto study uncertain parameters in a parameter variation analysis, such as wall stiffness param-eters. An applicable numerical model is chosen to examine how other vital parameters affectsthe ground displacement, for instance the bending stiffness.

The present research investigates how uncertain parameters, such as wall stiffness properties,influence the vertical and horizontal ground displacements adjacent to a deep excavation. Theparameter variation of wall stiffness reveals that the bending stiffness plays a crucial role forthe ground displacement, rather than the axial stiffness and specific weight. An increase in thevertical and horizontal ground displacements due to softer support systems (i.e. reduced bend-ing stiffness values) and a decrease of ground displacement for stiffer bending stiffness sce-narios was observed. Additionally, the bending stiffness values affect the vertical and horizontalground displacement profiles. An interesting findings, is that the position of the maximum verti-cal displacement tends to move towards the retaining wall for more flexible retaining walls. Themaximum vertical displacement adjacent to retaining wall increases when reducing the bend-ing stiffness, while maximum horizontal displacements adjacent to wall tend to increase whenthe bending stiffness increases. The relations reveals in linear correlations in semi-logarithmicscale and provides a deeper understanding on how wall stiffness parameters influence the ver-tical and horizontal ground displacement and the wall deflection.

Overall, the calibrated model indicated agreeable estimations of vertical and horizontal dis-placement based on well-documented centrifuge test. The model was able to generate a sensi-tivity analysis and parameter variation analysis, and provided deeper knowledge of how uncer-tain parameters influence the ground displacement in a deep excavation. In the future, the de-scribed calibrated model can be adopted to investigate additional parameters of interest, suchas the prop stiffness