Large scale model testing of CPTU in sand

Abstract

Feltundersøkelser er viktig innenfor geoteknisk prosjektering, og kan være uunværlig for å unngå jordskred. CPTU-testen er en viktig feltundersøkelse på grunn av at det er en metode som er enkel og tilgjengelig å bruke, i tillegg til at den er kostnadseffektiv. Å finne tynne, svake leir lag I sandavsetninger kan derimot være en utfordring på grunn av at det deformerte jordmaterialet rundt spissen av sonden vil bli påvirket av omkringliggende lag. Dette vil ha innvirkning på spissmotstanden, qc. For å kunne finne og karakterisere tynne, svake lag er det også viktig å ha forståelsen for oppførselen i sanden alene. Bruddmekanismen rundt spissen av sonden er kompleks, og en forbedret metode for tolkning av bruddmekanismen i sand vil forbedre forståelsen av effektene av lagdelingen om hvordan spissmotstanden påvirkes i overgangen mellom lagene.

Oppførselen til sand under en CPTU-test er undersøkt gjennom tre fysiske laboratorieforsøk, hvor sanden er bygget inn i et stort kammer. Styrke- og stivhetsparameterne for sanden er bestemt gjennom treaksialt trykkforsøk og ødometerforsøk. Målingene fra CPTU-testen er undersøkt ved bruk av effektivspenningsbaserte løsninger med bæreevneteorien, utviklet av Janbu and Senneset (1974), som teoretisk ramme. Denne metoden introduserer plastifiseringsvinkelen, β, som definerer størrelsen på de plastifiserte sonene rundt spissen på sonden. β ble i dette studiet benyttet som grunnlag for å etterforske spenningsfeltet som oppstår i sanden rundt spissen av sonden. Plastifiseringsvinkelen ble bestemt gjennom tilbakeberegning ved bruk av NTH-metoden. Korrelasjonen mellom plastifiseringsvinkelen og tilstandsparameteren ψ har blitt undersøkt. Tilstandsparameteren ble bestemt basert på målinger av poretall ved gitt spenningstilstand, i tillegg til å bli bestemt gjennom den empiriske relasjonen til spissmotstanden presentert av Been et al. (1987). Gjennom studien ble funnet at ψ påvirker plastifiseringsfeltet som oppstår rundt sonden, og beskriver sandens oppførsel for forskjellige poretall og spenningstilstand godt. En teoretisk relasjon mellom plastifiseringsvinkelen, β, og tilstandsparameteren, ψ, har blitt uttrykt gjennom dette prosjeket. Verdiene for β som blir generert gjennom denne relasjonen viser seg å være svært like verdiene til β beregnet fra NTH metoden. Dette underbygger at en korrelasjon mellom de to teoriene eksisterer. Relasjonen mellom ψ og β gir en mer konsekvent, teoretisk bestemmelse av plastifiseringsvinkelen. Dette forbedrer tolkningen av friksjonsvinkelen, φ. Denne studien har forbedret forståelsen av oppførselen til sanden når det kommer til størrelsen på det plastifiserte spenningsfeltet foran konspissen, når tilstanden til sanden er tatt med i betrakning.

En numerisk analyse ved bruk av Material Point Method er utført gjennom studiet, hvor en modell av kammeret og CPT-en ble utviklet for å simulere CPTU-testing i sand. Formålet med analysen var å tolke de plastifiserte sonene rundt konspissen i form av skjærtøyning og volumtøyning. Dette resultatet ble brukt som sammenlikningsgrunnlag for plastifiseringsvinkelen bestemt gjennom laboratorieforsøkene. Den numeriske analysen ga derimot ikke noen entydige resultater, men viste som forventet en dilasjon og kontraksjon for henholdsvis positiv og negativ dilatansvinkel. Mye tid ble brukt til å bygge inn sandprøvene. Hvert lag ble konstruert likt, og vibrasjonstiden ble økt for hvert lag for å unngå overkompaksjon. På tross av dette, ble det funnet utfordrende å bygge en homogen sandprøve med den samme densiteten gjennom hele prøven. Dette gjør det vanskelig å kunne tolke tilstandsparameteren med høy nøyaktighet, på grunn av endring i poretall. For fremtidige forsøk er det anbefalt å utvikle bedre metoder for innbyggingsprosedyrene. Fukting- og stampingsprosessen lag for lag bør evalueres nøye og utbedres.

Field investigations are essential for assessing in situ design parameters, which could be crucial for preventing landslides. The cone penetration test is an important field test due to its availability, cost-effectiveness, and simplicity. However, the detection of thin, weak layers in sand deposits is challenging since the soil around the advancing cone tip will be influenced by the surrounding layers, thus affecting the cone resistance. For accurate detection and characterization of thin, weak clay layers, it is not only important to understand the behaviour of the weak layer but also to have a clear idea of the behaviour of the sand itself. The failure mechanism around the advancing cone tip is complex, and an improved characterization of the failure mechanism in sands will better the understanding of the layering effects and the soil behaviour affecting the cone resistance between two layers.

Through three large-scale physical experiments in a chamber, the soil behaviour of sand during CPTU testing was investigated. The strength and stiffness parameters for the used sand were determined through supplementary laboratory tests such as triaxial tests and oedometer tests. The CPTU-measurements were investigated using the effective stress based interpretation method based on the theoretical framework from the bearing capacity theory suggested by Janbu and Senneset (1974), called the NTH method. This method implements the plastification angle, β, which defines the geometric size of the stress field around the advancing cone. β was used in this study to investigate the failure mechanism around the advancing cone. This parameter was determined through back-calculation using the NTH method, and the correlation between β and ψ was investigated. The state parameter was determined based on void ratio and stress and from the empirical relation to cone resistance presented by Been et al. (1987). It is found that ψ influences the plastification field around the cone tip and describe the soil behaviour for different void ratios and stress states very well. A theoretical relation between the plastification angle and the state parameter was determined during this study, which generates similar values for β as using the NTH method. This supports that a correlation between the two theories exists. The relation between ψ and β gives a more theoretically consistent determination of the plastification angle, β, and will improve the interpretation of the design parameter, φ, the angle of friction. This study has improved the understanding of the soil behaviour regarding the size of the plastified field under the advancing cone, considering the state of the sand.

A numerical analysis using the Material point method was conducted in this study, where a model of the chamber and cone was developed to simulate the CPTU-test in sand. This analysis aimed to investigate the plastified zones around the penetrating cone in terms of the shear strain and the volumetric strain. This was used for the comparison of the plastification angle. The numerical analysis did not confirm or refute the experimental results but showed expected dilation and contraction for positive and negative dilatancy angles, respectively.

Great time and effort were put into the building of the test specimen. Each layer was constructed similarly, and the vibration time was increased for each layer to prevent over compaction. Despite this, it was found challenging to build a homogeneous sand sample with the same density all throughout the sample. This makes high accuracy in the interpretation of the state parameter rather difficult because of the variation in the void ratio. For further research, it is recommended to see if improvements in the build-in procedure for the sand could be developed. The wetting and tamping process layer by layer should be carefully evaluated and improved.