Heave of large excavations in clay: modelling and analysis of two british case-histories

ABSTRACT Il presente lavoro vuole introdurre la problematica del rigonfiamento del terreno a seguito di grandi scavi in argilla. Il sollevamento del terreno dopo lo scavo può passare inosservato ma sono numerosi i casi in cui il rigonfiamento dura per molti anni e addirittura decenni, Shell Centre, London, Lion Yard, Cambridge, Bell Common, London, ecc. Questo rigonfiamento il più delle volte è impedito dalla presenza di fondazioni, si genera quindi una pressione distribuita che se non considerata in fase di progetto può portare alla fessurazione della fondazione stessa. L’anima del progetto è la modellazione e l’analisi del rigonfiamento di grandi scavi in argilla, confrontando poi i risultati con i dati reali disponibili in letteratura. L’idea del progetto nasce dalla difficoltà di ottenere stime e previsioni attendibili del rigonfiamento a seguito di grandi scavi in argilla sovraconsolidata. Inizialmente ho esaminato la teoria e i fattori che influenzano il grado e la velocità del rigonfiamento, quali la rigidezza, permeabilità, fessurazione, struttura del suolo, etc. In seguito ho affrontato lo studio del comportamento rigonfiante di argille sovraconsolidate a seguito di scarico tensionale (scavi), si è evidenziata l’importanza di differenziare il rigonfiamento primario e il rigonfiamento secondario dovuto al fenomeno del creep. Il tema centrale del progetto è l’analisi numerica tramite Flac di due grandi scavi in argilla, Lion Yard, Cambridge, e, Bell Common, London. Attraverso una dettagliata analisi parametrica sono riuscito a trovare i migliori parametri che modellano il comportamento reale nei due casi in esame, in questo modo è possibile arrivare a stime e previsioni attendibili del fenomeno rigonfiante del terreno a seguito di grandi scavi. Gli scavi modellati Lion Yard e Bell Common sono rispettivamente in Gault Clay e London Clay, grazie a famosi recenti articoli scientifici sono riuscito a evidenziare la principali propietà che diversificano i due terreni in esame, tali propietà sono estremamente differenti dalle normali caratteristiche considerate per la progettazione in presenza di terreno argilloso; sono così riuscito a implementare i migliori parametri per descrivere il comportamento dei due terreni nei diversi modelli. Ho inoltre studiato l’interazione terreno-struttura, la pressione esercitata dal rigonfiamento del terreno è strettamente funzione delle caratteristiche di connesione tra fondazione superficiale e muro di sostegno, tale pressione non deve essere ignorata in fase progettuale poichè può raggiungere importanti valori. Nello scavo di Lion Yard, considerando la presenza delle fondazioni profonde ho evidenziato il fatto che il rigonfiamento crea una forza distribuita di taglio tra i pali di fondazione ed il terreno, anche tale sollecitazione dovrebbe essere considerata ai fini della progettazione. La problematica non si ferma solo sull’interazione terreno-fondazioni, infatti durante gli scavi di importanti fondazioni londinesi lo scarico tensionale ha creato uno spostamento significativo positivo verso la superfice di tratti di tunnel della metropolita, questo fenomeno può creare seri problemi di sicurezza nella rete dei trasporti pubblici. Infine sono stati messi a confronto i risultati del programma Flac con quelli di metodi semplificati, ho trovato che utilizzando il metodo iterativo di O’Brien i risultati sono simili alla realtà e il tempo di calcolo è molto inferiore di quello richiesto utilizzando Flac, 2-3 giorni. In conclusione posso affermare che grazie ad una dettagliata analisi parametrica è stato possibile stimare il rigonfiamento del terreno, argilla sovraconsolidata, nei due casi analizzati.

Centrifuge modeling of earth-reinforced retaining walls

Object of this thesis has been centrifuge modelling of earth reinforced retaining walls with modular blocks facing in order to investigate on the influence of design parameters, such as length and vertical spacing of reinforcement, on the behaviour of the structure. In order to demonstrate, 11 models were tested, each one with different length of reinforcement or spacing. Each model was constructed and then placed in the centrifuge in order to artificially raise gravitational acceleration up to 35 g, reproducing the soil behaviour of a 5 metre high wall. Vertical and horizontal displacements were recorded by means of a special device which enabled tracking of deformations in the structure along its longitudinal cross section, essentially drawing its deformed shape. As expected, results confirmed reinforcement parameters to be the governing factor in the behaviour of earth reinforced structures since increase in length and spacing improved structural stability. However, the influence of the length was found out to be the leading parameter, reducing facial deformations up to five times, and the spacing playing an important role especially in unstable configurations. When failure occurred, failure surface was characterised by the same shape (circular) and depth, regardless of the reinforcement configuration. Furthermore, results confirmed the over-conservatism of codes, since models with reinforcement layers 0.4H long showed almost negligible deformations. Although the experiments performed were consistent and yielded replicable results, further numerical modelling may allow investigation on other issues, such as the influence of the reinforcement stiffness, facing stiffness and varying backfills.

Safety factors in sheet pile wall design: considerations by using traditional methods and FEM analysis

The purpose of the work is: define and calculate a factor of collapse related to traditional method to design sheet pile walls. Furthermore, we tried to find the parameters that most influence a finite element model representative of this problem. The text is structured in this way: from chapter 1 to 5, we analyzed a series of arguments which are usefull to understanding the problem, while the considerations mainly related to the purpose of the text are reported in the chapters from 6 to 10. In the first part of the document the following arguments are shown: what is a sheet pile wall, what are the codes to be followed for the design of these structures and what they say, how can be formulated a mathematical model of the soil, some fundamentals of finite element analysis, and finally, what are the traditional methods that support the design of sheet pile walls. In the chapter 6 we performed a parametric analysis, giving an answer to the second part of the purpose of the work. Comparing the results from a laboratory test for a cantilever sheet pile wall in a sandy soil, with those provided by a finite element model of the same problem, we concluded that:in modelling a sandy soil we should pay attention to the value of cohesion that we insert in the model (some programs, like Abaqus, don’t accept a null value for this parameter), friction angle and elastic modulus of the soil, they influence significantly the behavior of the system (structure-soil), others parameters, like the dilatancy angle or the Poisson’s ratio, they don’t seem influence it. The logical path that we followed in the second part of the text is reported here. We analyzed two different structures, the first is able to support an excavation of 4 m, while the second an excavation of 7 m. Both structures are first designed by using the traditional method, then these structures are implemented in a finite element program (Abaqus), and they are pushed to collapse by decreasing the friction angle of the soil. The factor of collapse is the ratio between tangents of the initial friction angle and of the friction angle at collapse. At the end, we performed a more detailed analysis of the first structure, observing that, the value of the factor of collapse is influenced by a wide range of parameters including: the value of the coefficients assumed in the traditional method and by the relative stiffness of the structure-soil system. In the majority of cases, we found that the value of the factor of collapse is between and 1.25 and 2. With some considerations, reported in the text, we can compare the values so far found, with the value of the safety factor proposed by the code (linked to the friction angle of the soil).