Numerisk analyse av geosyntetisk armerte støttemurer med grus og lettklinker som fyllmateriale.

Abstract

I denne masteroppgaven har oppførselen til to ulike geosyntetisk jordarmerte støttemurer på 5 m og 20 m blitt sammenlignet. Den ene har grus som fyllmateriale mens den andre har Leca. Sammenligningen er gjort ved bruk av elementmetodeprogrammet PLAXIS 2D.

Problemstillingene i oppgaven er:

•Hvordan påvirker bruken av geosyntetisk armering med grus og Leca som fyllmateriale oppførselen og deformasjonene i fronten av en geosyntetisk armert støttemur på 5 m og 20 m, og hvilke materialparametere er mest avgjørende i modellering med FEM?

•Hvilke krav til deformasjoner og stabilitet bør stilles ved konstruksjon av geosyntetiske armerte støttemurer?

Støttemurene på 5 m er studert gjennom basis-case beregninger mens støttemurene på 20 m er modellert basert på den planlagte støttemuren i Hommelvik. I begge tilfellene undersøkes det hvordan geosyntetisk jordarmering samvirker med grus eller Leca, og hvilken påvirkning disse fyllmaterialene har på murens oppførsel.

Analysene inkluderer påvirkning av tilleggslast og undersøker deformasjoner, krefter og tøyninger i jordarmeringen, og kontroll av bruddmekanismer. Hovedfokuset har vært å identifisere hvilke materialparametere som påvirker deformasjonene i fronten av støttemurene mest, og hvordan oppførselen til støttemurene påvirkes av de ulike fyllmaterialene. Videre har krav som bør stilles for deformasjoner og stabilitet ved konstruksjon av geosyntetiske armerte støttemurer blitt vurdert.

FEM – analysene viser at krav til horisontale deformasjoner oppfylles for modellene på 5 meter ved økt geogitterlag og strekkstyrke. Unntaket er ved 20 kPa og 50 kPa tilleggslast for grusmodellen, og ved 50 kPa for Leca-modellen. Ingen av de 20 meter høye støttemurene tilfredsstiller kravene til horisontal deformasjon, men Leca-modellen ligger nært kravet, da det fører til mindre deformasjoner, krefter og tøyninger i geogitterlagene enn grus i alle analyserte tilfeller. Forbedringer kan oppnås ved å bruke geogitter med høyere nominell styrke.

Generelle konklusjoner:

•Strekkstyrke: Høyere strekkstyrke i geogitrene reduserer deformasjoner, krefter, strekk- og skjærtøyninger, samt øker stabiliteten, så lenge geogitrene ikke når maksimal kapasitet. •Antall geogitterlag: Flere geogitterlag fordeler belastningen og reduserer deformasjonene enn færre lag. •Stivhet: Økt stivhet i geogitrene, samt i materialet reduserer deformasjonene. •Globalstabilitet: Leca-modellen viser generelt bedre stabilitet og mindre deformasjoner enn grusmodellen. •Jordtrykk: FEM – analysene viser at Leca generelt gir høyere sikkerhetsfaktor enn bruk av grus for lave og høye murer. De viktigste materialparameterne for å redusere deformasjoner er lav tyngdetetthet, høy friksjonsvinkel og høy stivhet.

Forslag til videre arbeid:

•Utføre ytterligere analyser av setninger ved bruk av lette fyllmasser som lettklinker, skumglass eller EPS. •Sensitivitetsstudie på optimal armeringslengde for lave og høye støttemurer. •Studere bruken av andre omfyllingsmaterialer som skumglass eller EPS. •Studere sammenligningen mellom ulike frontløsninger og horisontaldeformasjoner. •Bruk av mer avanserte jordmodeller som “Hardening Soil” for mer nøyaktige resultater. •Vurdere alternative sikkerhetsfaktoranalyser der tøyninger i geogitrene begrenses. oEt alternativ er å øke gravitasjon, og sjekke tøyninger i geogitrene. oEller å bruke nedskalert friksjon i jord, og kjøre hele beregningen med den nedskalerte friksjonen, og deretter sjekke tøyningsnivået.

In this master's thesis, the behavior of two different geosynthetic reinforced earth walls, measuring 5 m and 20 m in height, has been compared. One uses gravel as fill material, while the other uses Leca. The comparison was conducted using the finite element method software PLAXIS 2D. The research questions addressed in the thesis are:

•How does the use of geosynthetic reinforcement with gravel and Leca as fill materials affect the behavior and front deformations of a geosynthetic reinforced earth wall measuring 5 m and 20 m, and which material parameters are most crucial in finite element modeling (FEM)?

•What requirements for deformations and stability should be considered when constructing geosynthetic reinforced earth walls?

The 5 m walls were studied through baseline calculations to explore how geosynthetic reinforcement interacts with gravel and Leca, influencing the wall's behavior. The 20 m walls were modeled based on the planned wall at Hommelvik. In both cases, the interaction between geosynthetic reinforcement and the fill materials and their impact on the wall’s behavior were examined.

Analyses included the effect of additional loads and investigated deformations, forces, and strains in the reinforcement, and checked for failure mechanisms. The primary focus was to identify which material parameters most significantly affect the front deformations of the walls and how the behavior of the walls is influenced by the different fill materials. Furthermore, requirements that should be considered for deformations and stability in the construction of geosynthetic reinforced earth walls were evaluated.

FEM analyses showed that the requirements for horizontal deformations are met for the 5 m models with increased geogrid layers and tensile strength. Exceptions are at 20 kPa and 50 kPa additional loads for the gravel model, and at 50 kPa for the Leca model. None of the 20 m high walls meet the deformation requirements, but the Leca model is close to meeting these as it results in less deformation, forces, and strains in the geogrid layers than the gravel in all analyzed cases. Improvements can be achieved by using geogrids with higher nominal strength.

General conclusions:

•Tensile strength: Higher tensile strength in geogrids reduces deformations, forces, tensile and shear strains, and increases stability as long as the geogrids do not reach maximum capacity. •Number of geogrid layers: More geogrid layers distribute the load and reduce deformations compared to fewer layers. •Stiffness: Increased stiffness in the geogrids, as well as in the material, reduces deformations. •Global stability: The Leca model generally shows better stability and fewer deformations than the gravel model. •Earth pressure: FEM analyses indicate that Leca generally provides a higher safety factor than gravel for both low and high walls. The most important material parameters to reduce deformations are low unit weight, high friction angle, and high stiffness.

Suggestions for further work:

•Conduct further analyses of settlements using lightweight fill materials like light expanded clay aggregate (Leca), expanded polystyrene (EPS), or foam glass. •Sensitivity study on optimal reinforcement length for low and high retaining walls. •Explore the use of other backfill materials like foam glass or EPS. •Study comparisons between different facing solutions and horizontal deformations. •Utilize more advanced soil models like “Hardening Soil” for more accurate results. •Consider alternative safety factor analyses where strains in the geogrids are limited. oOne option is to increase gravity and check strains in the geogrids. oOr use downscaled friction in the soil, run the entire calculation with the downscaled friction, and then check the strain level.