Highway embankment constructed on soft soil improved by stone columns with geosynthetic materials [Elektronische Ressource] / by Mohamed Basheer Dardeer Elsawy

Abdul Majeed Yousuf

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• Publié par: universitat_duisburg-essen
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 49
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 10 Mo

Extrait

Highway Embankment Constructed on Soft Soil
Improved by Stone Columns with Geosynthetic
Materials




Dissertation
Submitted for the degree of
Doctor of Engineering

By
Mohamed Basheer Dardeer Elsawy,
Aswan, Egypt



Institute of Geotechnical Engineering,
Department of Civil Engineering,
Faculty of Engineering,
Duisburg-Essen University

Essen, 2010



Date of Submission: May 20, 2010
Date of Examination: October 4, 2010
Reviewers: Prof. Dr.-Ing. W. Richwien
Prof. Dr.-Ing. C. Boley

Acknowledgements

I would like to present great thanks to my supervisor, Prof. W. Richwien, for the
patient guidance, encouragement and advice who has provided throughout my time as
his student. I have been extremely lucky to have a supervisor who cared so much about
my work, and who responded to my questions and queries so promptly. Special thanks
to Prof. K. Lesny for her great assistance.
I would also like to thank all the members of staff at Geotechnical Engineering
institute who helped me a lot. Their kindness and generosity will stay in my memory
forever. The financial suppor provided by the Egyptian Ministry of Higher Education
for my stay in Germany are is also gratefully acknowledged.
While it is not possible to give acknowledgements to all those who assisted me, I have
to give special thanks to my family whose prayers and moral support enabled me to
successfully pursue my study.  Zusammenfassung I

In vielen Gebieten stehen weltweit entlang der Flüsse und der Küsten weiche Böden an. Das
Bauen auf diesen Böden ist schwierig, weil sie nur eine geringe Festigkeit haben und sich unter
Last stark zusammendrücken. Die Baugrundverbesserung der anstehenden Böden durch
Steinsäulen hat sich in den letzten Jahrzehnten als eine effektive Methode erwiesen, auf Böden
dieser Art leichte Konstruktionen wie Dämme von Verkehrsanlagen sicher zu gründen.

Die Steinsäulen beziehen ihre Tragfähigkeit aus der Bettung, die sie aus dem umgebenden
Boden erfahren. Allerdings muss der umgebende Boden zur Aktivierung dieser Bettung eine
Mindestfestigkeit haben, weil andernfalls die Stützung nicht zur Aufnahme der Lasten reicht.
Um die Dispersion der Steinsäulen in den umgebenden Boden zu vermeiden, werden die Säulen
in sehr weichen Böden von einer geosynthetischen Membran eingehüllt. Die Tragfähigkeit der
Steinsäulen wird so gesteigert, ihre Gebrauchstauglichkeit und Wirtschaftlichkeit ergibt sich
aus den lateralen und vertikalen Formänderungen während der Konsolidierung. Daher werden
Ansätze zur Abschätzung dieser Verformungen und ihrer Dauer benötigt.

Im Rahmen dieser Dissertation wird das Verformungsverhalten von nicht ummantelten und
ummantelten Steinsäulen in einem weichen bindigen Boden (Bremerhavener Klei) mit FE
Berechnungen grundsätzlich untersucht. Zunächst wird der Einfluss des Säulendurchmessers
und des Säulenabstands sowie der Ummantelung und ihrer Festigkeit und Steifigkeit auf das
Tragverhalten untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass nicht ummantelte Säulen mit einem
kleineren Durchmesser und kleinem Abstand eine größere Tragfähigkeit haben als solche mit
großem Durchmesser und großem Abstand. Mit der Ummantelung steigt die Tragfähigkeit
dramatisch, zugleich nimmt die Setzung ab. Dieser Effekt wird mit steiferen Ummantelungen
noch gesteigert. Wenn die Säulen nur teilweise ummantelt werden, nimmt ihre Tragfähigkeit
mit der Länge der Ummantelung zu. Grundsätzlich ist der durch die Ummantelung erzielbare
Zuwachs der Tragfähigkeit nach der Konsolidierung größer als unmittelbar nach der
Lastaufbringung, die Konsolidierungsdauer wird deutlich verkürzt.

Im zweiten Teil der Arbeit wird das Setzungsverhalten von ummantelten und nicht
ummantelten Steinsäulen unter einer beispielhaften Dammschüttung analysiert. Für den
umgebender Boden werden die Kennwerte von zwei realen und in der Literatur umfassend
dokumentierten Böden angesetzt, es sind dies der Bremerhavener Klei und der Hamburger
Schlick. Variiert werden der Säulendurchmesser, der Säulenabstand, die Art der Ummantelung
(teilweise oder ganz) und die Steifigkeit der Ummantelung. Die verwendeten Rechenansätze
werden anhand der Messergebnisse aus einem Anwendungsfall überprüft und ergeben eine gute
Übereinstimmung.

Es kann gezeigt werden, dass Steinsäulen die Tragfähigkeit der Gründung erhöhen, sie
reduzieren die Setzungen und beschleunigen die Konsolidation. Setzungen und
Konsolidationsdauer sind umso kleiner bzw. kürzer, je dichter die Säulen angeordnet sind.
Demgegenüber ist der Säulendurchmesser für die Setzungsgröße und die Dauer der
Konsolidierung von nur untergeordneter Bedeutung.

Die Ummantelung der Säulen hat eine weitere Steigerung der Tragfähigkeit und Reduktion der
Setzungen proportional zur Steifigkeit der Ummantelung zur Folge.

Stichworte: Steinsäulen, weicher Ton, Ummantelung, Geogitter, Konsolidierung
Abstract II
Great areas all over the world, particularly along the rivers and the seas, are covered with
soft clay. Construction on soft natural soil is considered a risk due to its low shear
strength and high compressibility. Stone columns are an effective improvement method
for soft soils under light structures such as rail or road embankments. The stone columns
derive their load carrying capacity from the passive earth pressure resistance developed
against the bulging of the column which thereby depending on the shear strength of the
surrounding soil. To avoid dispersion of the stones into the clay and to improve the stone
columns as reinforcing elements, geosynthetics are used as an encasement of the stone
columns. Increasing lateral and vertical deformations over the consolidation time controls
the serviceability state and affects the economy of the embankments. Therefore,
additional efforts to predict the long-term behavior of the reinforced soft soil with
ordinary and encased stone columns foundation are required.

In this research full scale stone columns in Bremerhaven clay, are analyzed using the
finite element program Plaxis. Firstly, the stone columns are only loaded to investigate
the effect of varying parameters like spacing distance between columns, column
diameter, geogrid encasement and stiffness of the geogrid, and encasement depth on the
behavior of the stone column in short and long term conditions. The results showed that
the ordinary stone columns with narrower spacing distances and smaller diameters have a
greater bearing capacity and show smaller settlement as well as lateral bulging than wider
spacings and greater diameters of stone columns. When using geogrids as encasement for
stone columns, a huge increase in the bearing capacity of the stone column as well as a
huge reduction in the bulging occurs. More improvement occurs in the behavior of the
encased stone columns with increasing encasement stiffness in both short and long term
conditions. The bearing capacity of the partially encased stone columns increases with
increasing encasement depth. The increase in the bearing capacity in long term is more
significant than that in short term conditions under working loads.

Secondly, the non-reinforced and the reinforced soft clay with ordinary and encased stone
columns have been loaded by a highway embankment fill. Two types of soft clay have
been used which are the Bremerhaven clay and the Hamburg clay. The analysis is
performed to study the effect of spacing distance between columns, column diameter,
geogrid stiffness and encasement depth on the behavior of the reinforced soft soils during
and after the consolidation. A case history of an embankment constructed on the
reinforced soft soil with stone columns is also simulated and gave a good agreement.
Using stone columns in soft clay reduces the settlement and the production of the initial
pore water pressure and accelerates the consolidation time to minimum values. The
smaller the spacing distance between the columns is, the faster the consolidation is and
the smaller the settlement, the bulging of the column and the generated excess pore water
pressure are. The construction time of the reinforced clay decreases also with decreasing
diameter of the column. But the settlement has no significant decrease with decreasing
diameter of the column. Once the stone columns are encased with geogrid under
embankment loads, the consolidation time, the settlement, the column bulging and the
excess pore water pressure are reduced with a high degree. Further reduction occurs in
the deformation and the excess pore water pressure with increasing stiffness of the
encasement.