Bridge Abutment Using Geosynthetic Reinforced Soil Technique

Abstract

Geosyntetisk armert jord er et komposittmateriale sammensatt av kompaktert jord og geosyntetisk armering. I et brofundament er det denne komposittkonstruksjonen som bærer broen. Ved å inkludere armeringen vil strekk- og skjærstyrken til jorden øke, som gir et materiale med større motstand mot brudd og deformasjoner. Geosyntetisk armerte jordstrukturer kan i mange tilfeller etableres på kortere tid, til en lavere kostnad og kan utnytte lokale materialer til en større grad sammenlignet med konvensjonelle løsninger. Disse økonomiske og miljømessige fordelene gjør det til et interessant alternativ til tradisjonell praksis.

Denne oppgaven ser på deformasjoner og oppførsel til konstruksjoner hvor geosyntetisk armering er brukt. To armerte skråninger, konstruert i Norge på sent 80-tall og tidlig 90-tall, har blitt overvåket, og deformasjoner, tøyninger og krefter er målt. Disse skråningene er brukt til kalibrering, og deretter modellert i et finite element-program, hvor analyse-resultatene sammenlignes med de målte resultatene. Den modellen som gir en tilfredsstillende overenstemmelse mellom modellen og målte resultater vil videre bli brukt til å analysere et brofundament der geosyntetisk armering er en mulig løsning.

De to modellerte skråningene brukt til kalibrering er bygget på Lillehammer og Skedsmo. Skråningen i Lillehammer er ikke ytterligere belastet etter konstruksjonen ble ferdig, mens skråningen i Skedsmo har fått ytterligere belastning etter endt konstruksjon. Resultatene fra modelleringen av skråningen i Skedsmo stemmer rimelig godt med hva som er målt. Deformasjonen var ikke målt i Skedsmo, men er innenfor det som kan forventes i et slikt tilfelle, basert på litteratur og teori. Totalt sett korrelerer resultatene godt nok til å argumentere for at modelleringstilnærmingen brukt for skråningen i Skedsmo gir et realistisk bilde av oppførselen til en armert konstruksjon, og kan tilpasses og brukes videre. For skråningen i Lillehammer overensstemmer ikke de målte langtidsdeformasjonene med resultatene fra modellen, men responsen i konstruksjonsdelen av modellen er realistisk. For å bedre predikere langtidsdeformasjoner må man ta i bruk mer avanserte jordmodeller. Tilnærmingen brukt i modelleringen av skråningene kan med fordel brukes og tilpasses konstruksjoner med lignende belastningsmønster som skråningen i Skedsmo.

For å forbedre kalibreringen av finite element-modellen, er det ønskelig å se på et tilfelle med lignende belastningsmønster som et brofundament, der deformasjonene er overvåket. Det er i tillegg noe usikkerhet knyttet til jordparametrene i kalibrerings-tilfellene, og en mer nøyaktig undersøkelse av disse vil gi mindre usikkerhet i modellen.

En mindre bro, med beliggenhet ved Risheim i Norge, skal i fremtiden erstattes. Fundamenter av geosyntetisk armert jord er en mulig løsning for den nye broen. Et designforslag er presentert og modellert med tilnærmingen funnet for skråningen i Skedsmo. Finite element-analyse er gjennomført med fokus på stabilitet og deformasjoner. Deformasjonene er funnet å være innenfor akseptable verdier i henhold til litteratur og standarder. Tøyning og krefter i den geosyntetiske armeringen virker realistiske, ettersom de er i samme størrelsesorden som skråningen i Skedsmo og er innenfor kravene fra litteratur og standarder. Analysen over tid viser at mesteparten av deformasjonene skjer direkte eller rett etter at konstruksjonen er belastet, og etter 1.5 til 2 år er forandringen i deformasjonene tilnærmet lik null. Totalt sett viser resultatene at brofundament av geosyntetisk armert jord kan være en god løsning i Risheim og i tilfeller med lignende forutsetninger, og er et relevant alternativ for videre undersøkelser.

Geosynthetic reinforced soil bridge abutments are the supporting structure for a bridge, conducted by compacted soil and geosynthetic reinforcement. Incorporation of the reinforcement increases the tensile and shear strength of the soil, resulting in a material having higher resistance to failure and deformations. Geosynthetic reinforced soil structures can in many cases be established with a shorter constructing time, at a lower cost, and to a larger extent using local materials compared to conventional structures. With these environmental and economical benefits, it is a viable alternative to traditional practice.

This thesis looks further into deformations and behaviour of geosynthetic reinforced soil structures. Two existing geosynthetic reinforced slopes built in Norway during the late 80's and early 90's have been monitored with respect to deformations, strains and forces. The slopes are used as calibration cases and have been modelled using a finite element program, thereafter comparing the output to the monitored results. This modelling approach gives a satisfying correlation between monitored results and results from the modelling and is further used to analyse a case where geosynthetic reinforced soil bridge abutment is a possible solution.

The two slopes modelled in the calibration case are located in Lillehammer and Skedsmo. The slope in Lillehammer did not experience any additional load after the construction were finished, while the Skedsmo slope was exposed to external load after the end of construction. Results from modelling the slope in Skedsmo fits reasonably well with the monitored results for the case. Deformations were not monitored for the particular case, but are reasonable when comparing to expected values found in literature. Overall, the results correlates sufficiently to argue that the approach used when modelling the Skedsmo slope gives a realistic prediction of the behaviour of a reinforced structure, and can be adapted to further use. For the slope in Lillehammer, the model did not successfully predict the long-term deformations which had been monitored. However, the output showed realistic responses in the construction part of the modelling. To get a better prediction of long-term deformations, more advanced soil models should be applied. The modelling approach used in the slopes can successfully be adapted to structures having a similar load pattern as the Skedsmo slope.

For better calibration of the finite element model, it would be preferable to have a case with similar loading conditions as a bridge abutment where deformations are monitored over time. There is also uncertainties linked to the soil parameters in the calibration case, and a more exact mapping of the soil and its properties would give a more precise calibration model.

A smaller bridge, located in Risheim in Norway will eventually be replaced, and geosynthetic reinforced soil abutments could be a possible option. A design was suggested for the abutment and modelled using the modelling approach found for the Skedsmo case. Finite element analysis were conducted, analysing both stability and deformations. The analysis exhibited sufficient stability for the abutment. Deformations from the analysis where within the acceptable range, comparing to literature and standards. Strains and forces in the geosynthetic reinforcement were realistic, being in the same magnitude as for the slope in Skedsmo, and within the requirements from literature and standards. The analysis over time showed that a majority of the deformations occurred instantly or within a short range of time after the load was applied, and after 1.5 to 2 years the change in deformations were close to zero. All in all, the results lead to the conclusion that geosynthetic reinforced soil bridge abutments can be good solution for the Rishem case, as well as cases with similar properties, and it is a relevant option to further investigate.