Numerical simulation of the Leendert de Boerspolder dyke stress test : an assessment of the JMC model for dutch soft soils

Flood defence embankments in the Netherlands are mostly built on soft soil, primarily peat, organic clay, and silt, which are vulnerable to excessive settlement and deformation. Due to poor advanced geotechnical knowledge of these soils, assessing the infrastructure is challenging. To evaluate the current assessment practice, a full-scale breach test was launched on the Leendert de Boerspolder dyke. The experimental observations in the field and the data from laboratory testing of undisturbed samples retrieved on site assisted in the development of a new advanced constitutive model for the Dutch soft soils, namely the JMC model. The aim of this work is twofold: (i) simulate the stress test, incorporating the fundamental mechanical and hydraulic properties of peat and organic clay, and identify the most critical aspects of constitutive models, which affect the quality of the simulation; (ii) assess the JMC model by comparing the simulation results with both the monitoring data and the outcomes derived using conventional constitutive models. The finite element simulation of the stress test was performed with ABAQUS/Standard by means of a transient coupled pore pressure/effective stress analysis. Conventional constitutive models including Mohr-Coulomb and Modified Cam-Clay were employed first. Subsequently, the JMC model was incorporated to simulate the response of the peat and the organic clay layers. The simulation results are compared with the monitoring data to evaluate advantages and shortcomings of the advanced model over the more traditional ones. It is found that the crucial ingredient to properly replicate the displacement field is the initial stress state and over-consolidation ratio (OCR) profile, which may suffer from great uncertainty. Wetting of the dyke, which took place in the field, is found to be essential to accurately reproduce the pore water pressure. However, the pore pressure variation over time remains consistent with field measurements, even in the absence of wetting. Starting from the same conditions, simulations incorporating the JMC model exhibit larger displacement than those using conventional models. The result with the JMC model better reproduced the displacement pattern in the underlying organic clay layer in the simulation. However, inaccurate definition of the initial stress state and OCR might overshadow the potential benefits of using the JMC model.

Gli argini di difesa dalle inondazioni dei Paesi Bassi sono per lo più costruiti su terreni soffici, principalmente torba, argilla organica e limo, che sono vulnerabili all'eccessivo assestamento e alla deformazione. La valutazione della stabilità di questi argini è difficile a causa della modesta conoscenza avanzata della risposta di questi terreni. Per valutare l’affidabilità dei correnti approcci di verifica, è stata eseguita una prova di rottura su scala reale di un argine situato nel Leendert de Boerspolder. Le osservazioni sperimentali in campo e le prove su campioni di terreno recuperati dal sito hanno contribuito allo sviluppo di un nuovo modello costitutivo per i terreni soffici olandesi, chiamato JMC. L’obiettivo di questo lavoro è duplice: (i) simulare la prova in vera grandezza, focalizzando sulle proprietà meccaniche e idrauliche fondamentali della torba e dell'argilla organica, e identificare gli aspetti più critici dei modelli che influenzano la qualità della simulazione; (ii) valutare il modello JMC confrontando i risultati della simulazione con i dati di monitoraggio e i risultati ottenuti con i modelli costitutivi convenzionali. Le simulazioni numeriche ad elementi finiti sono state eseguite con ABAQUS/Standard, considerando un'analisi transitoria idromeccanica accoppiata. Modelli costitutivi convenzionali, Mohr-Coulomb e Cam-Clay modificato, sono stati impiegati inzialmente, prima di incorporare il modello JMC per gli strati di torba e argilla organica. I risultati delle simulazioni sono stati confrontati fra loro e con i dati di monitoraggio per valutare la qualità della risposta. Si è osservato che l’elemento cruciale per riprodurre il campo di spostamenti nell’analisi è una accurata assegnazione dello stato di sollecitazione iniziale e del profilo del rapporto di sovraconsolidazione (OCR). La saturazione per infiltrazione dell’argine, eseguita durante la prova, si è rilevato un elemento essenziale per ottenere una riproduzione accurata dei valori assoluti di pressione. Tuttavia, la sua variazione nel tempo è relativamente insensibile all’infiltrazione e viene ben colta anche eliminando quest’ultima dalla simulazione numerica. Partendo da analoghe condizioni, il modello JMC ritorna spostamenti maggiori rispetto a quelli ottenuti con modelli convenzionali. L’impiego del modello avanzato JMC permette di meglio cogliere la deformata qualitativa, soprattutto dell’argilla organica. Tuttavia, l'incertezza sullo stato di sollecitazione iniziale e sull'OCR, se definito in modo inappropriato, potrebbe mettere in ombra i potenziali vantaggi dell'uso del modello avanzato.