Plastic anisotropy and destructuration of soft Finnish clays

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2014-12-12
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2014
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
149 + app. 276
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 169/2014
Abstract
Due to growth of population, there is a need to construct on areas on soft soils. Therefore, there is also a need for tools for modelling deformations of soft soils. Soil models called S-CLAY1, accounting for fabric anisotropy, and S-CLAY1S, accounting additionally for bonding and destructuration, were developed. Aim of this work was to design and perform a comprehensive series of laboratory tests in order to validate the S-CLAY1 and S-CLAY1S models. Four typical soft Finnish clays were chosen for test materials. The clays were Otaniemi clay from Espoo, POKO clay from Porvoo-Koskenkylä motorway site, Murro clay from Seinäjoki and Vanttila clay from Espoo. These clays represent a typical variety of moderately to highly sensitive clays. The sensitivity is a demonstration of interparticle bonding of natural clays.  The series of tests included tens of triaxial tests on both reconstituted and natural samples. In tests on reconstituted samples, anisotropy can be studied in the absence of bonding. Natural clays, however, exhibit anisotropy and bonding. The triaxial tests were consolidation tests with different stress ratios, and drained and undrained shear tests. Additionally, oedometer tests and index tests were carried out. The behaviour of Murro test embankment was also calculated with the two models. Model parameters for S-CLAY1 and S-CLAY1S models were determined from the test data, and the test results were simulated as single element simulations. The simulations showed that accounting for anisotropy enhanced the predictions of tests on reconstituted samples significantly compared to predictions with an anisotropic model. Using certain parameter values, the anisotropic S-CLAY model could also be used for satisfactory predictions of tests on natural samples, but, however, using the destructuration law incorporated in the S-CLAY1S model, the predictions could be improved further. The behaviour of Murro test embankment was also modelled rather realistically using the S-CLAY1S model compared to observations of settlements and horizontal displacements. S-CLAY1 and S-CLAY1S do not account for rate effects or elastic anisotropy, but despite of that, the models are a promising tool for geotechnical design and a basis for model development in the future. 

Väestön keskittyminen rannikon kasvukeskuksiin aiheuttaa tarvetta rakentaa uusille alueille, joilla maaperä on pehmeää. Tämän vuoksi geoteknisessä sunnittelussa tarvitaan työkaluja, joilla voidaan ennustaa rakentamisen aiheuttamia muodonmuutoksia maaperässä. Pehmeiden savien mallintamiseen on kehitetty materiaalimallit S-CLAY1, jonka avulla voidaan kuvata saven rakenteen anisotrooppisuuden vaikutusta muodonmuutoksiin, sekä S-CLAY1S, joka huomioi lisäksi savipartikkelien välisten sidosten vaikutuksen muodonmuutoksiin. Tämän työn tarkoituksena oli laatia ja suorittaa laaja geotekninen laboratoriokoesarja, jolla em. materiaalimallien oikeellisuutta voitiin tarkistaa. Koemateriaaleiksi laboratoriokokeisiin valittiin neljä tyypillistä pehmeää savea eri puolilta Suomea. Savet olivat Otaniemen ja Vanttilan savet Espoosta, POKO:n savi Porvoon-Koskenkylän moottoritien varrelta ja Murron savi Seinäjoelta. Nämä savet ovat kohtalaisesti sensitiivisiä tai hyvin sensitiivisiä, mikä osoittaa niissä olevan kohtalaisesti tai runsaasti savipartikkeleiden välisiä sidoksia luonnontilassa. Koesarja käsitti kymmeniä kolmiaksiaalikokeita sekä luonnontilaisille että rakennetuille näytteille. Rakennettuja näytteitä koestamalla voidaan tutkia saven anisotropiaa ilman partikkelien välisten sidosten vaikutusta. Luonnontilassa kuitenkin savien rakenne on sekä anisotrooppinen että sitoutunut. Kolmiaksiaalikokeet olivat konsolidointikokeita eri jännityssuhteilla sekä suljettuja ja avoimia leikkauskokeita. Lisäksi tehtin ödometrikokeita sekä luokituskokeita. Työssä laskettiin myös Murron koepenkereen käyttäytymistä. Koetuloksista määritettiin parametrit S-CLAY1- ja S-CLAY1S- materiaalimalleja varten, ja koetulokset simuloitiin jännityspistetasolla ko. malleilla. Simuloinneista nähtiin, että anisotropian huomioiminen parantaa huomattavasti mallinnuksen tarkkuutta verrattuna isotrooppiseen materiaalimalliin rakennetuilla näytteillä. Tietyillä parametrivalinnoilla anisotrooppisella S-CLAY1-mallilla voitiin ennustaa myös luonnontilaisen saven muodonmuutoksia, joskin S-CLAY1S-mallin erityisen sidosten tuhoutumiseen liittyvän lujittumislain käyttäminen paransi tuloksia entisestään. Myös Murron koepenkereen käyttäytymistä voitiin mallintaa realistisesti S-CLAY1S-mallilla verrattuna painuma- ja sivusiirtymähavaintoihin. S-CLAY1- ja S-CLAY1S –mallit eivät ota huomioon aikavaikutusta eivätkä kimmoisten muodonmuutosten anisotropiaa, mutta tästä kehitystarpeesta huolimatta malleja voidaan pitää lupaavina tulevaisuuden apuvälineinä geoteknisessä suunnittelussa. Mallit ovat myös oiva pohja materiaalimallien kehittelyssä. 
Description
Supervising professor
Korkiala-Tanttu, Leena, Prof., Aalto University, Department of Civil and Environmental Engineering, Finland
Thesis advisor
Karstunen, Minna, Prof., Chalmers University of Technology, Sweden
Keywords
soft clay, anisotropy, destructuration, pehmeä savi, anisotropia, destrukturaatio
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Koskinen, M., Zentar, R. and Karstunen, M. 2002. Anisotropy of reconstituted POKO clay. In Pande, G.N and Pietruszczak, S. (eds.), Proceedings of the VIII International Symposium on Numerical Models in Geomechanics (NUMOG VIII), 10-12 April 2002, Rome, Italy. Pp. 99-105. Balkema, Lisse. ISBN 905809359x
  • [Publication 2]: Karstunen, M. and Koskinen, M. 2008. Plastic anisotropy of soft reconstituted clays. Canadian Geotechnical Journal, Vol 45, No. 3, pp. 314-328. ISSN 0008-3674.
    DOI: 10.1139/T07-073. View at publisher
  • [Publication 3]: Koskinen, M., Karstunen, M. and Wheeler, S.J. 2002. Modelling destructuration and anisotropy of a natural soft clay. In Mestat et al. (eds.), Proceedings of the 5th European Conference on Geotechnical Engineering (NUMGE02), 4-6 September 2002, Paris, France, pp. 11-20. Presses de l’ENPC/LCPC, Paris. ISBN 2-85978-362-8, 2002.
  • [Publication 4]: Koskinen, M., Karstunen, M. and Lojander, M. 2003. Yielding of ”ideal” and natural anisotropic clays. In Vermeer et al. (eds.), Proceedings of International Workshop on Geotechnics of Soft Soils – Theory and Practice, 17-19 September 2003, Noordwijkerhout, Netherlands, pp. 197-204. VGE Verlag Glückauf GmbH, Essen. ISBN 3-7739-5983-4.
  • [Publication 5]: Karstunen, M. and Koskinen, M. 2004. Anisotropy and destructuration of Murro clay. In Jardine et al. (eds.) Advances in geotechnical engineering – The Skempton Conference, Vol 1, pp. 476-487. Thomas Telford, London. ISBN 9780727732644
  • [Publication 6]: Karstunen, M., Krenn, H., Wheeler, S.J., Koskinen, M. and Zentar, R. 2005. Effect of anisotropy and destructuration on the behaviour of Murro test embankment. International Journal of Geomechanics, ASCE, Vol 5, No. 2, June 1 2005. ISSN 1532-3641/2005/2-87–97
  • [Publication 7]: Koskinen, M. and Karstunen, M. 2006. Numerical modelling of Murro test embankment with S-CLAY1S. In Schweiger, H.F., (ed.) Proceedings of the 6th European Conference on Numerical Methods in Geotechnical Engineering (NUMGE06), 6-8 September 2006, Graz, Austria, pp. 455-461. Taylor & Francis Group, London. ISBN 0-415-40822-9.
  • [Publication 8]: Koskinen, M. and Karstunen, M. 2004. The effect of structure on the compressibility of Finnish clays. In SGF Report 3:2004, Proceedings of XIV Nordic Geotechnical Meeting, 19-21 May 2004, Ystad, Sweden, Vol 1 A-11, A-22. Rolf Tryckeri AB, Skövde. ISSN 1103-7237. ISRN SGF-R—04/3—SE.
  • [Publication 9]: Karstunen, M. and Koskinen, M. 2004. Undrained shearing of soft structured natural clays. In Pande, G.N and Pietruszczak, S. (eds.), Proceedings of the IX International Symposium on Numerical Models in Geomechanics (NUMOG IX), 25-27 August 2004, Ottawa, Canada. Pp. 173-179. Balkema, Leiden. ISBN 905809636x.
  • [Publication 10]: Koskinen, M., Karstunen, M. and Korkiala-Tanttu, L. 2014. On the evolution of anisotropy in natural soft clays. Submitted for publication in Géotechnique Letters.
Citation