Assessing strength of soft soils through in-situ testing is a challenging topic for ensuring the stability of geotechnical infrastructure, often prone to spatial variability in their performance. This study presents solutions to improve soft soil strength assessment by numerical analysis of Cone Penetration Testing. In the practice, strength is obtained from CPT data by laboratory calibration of a cone factor. This contribution simulates the inversion problem method used to determine the undrained shear strength (s_u) of soft clays, exploiting data from an extensive in situ and laboratory investigation at Leendert de Boerspolder. The field campaign has been processed to collect in-situ soil data, capturing the geotechnical properties and stratigraphy of the site thanks to CPT readings and laboratory experiments. To validate the numerical analysis, two reference cases are defined and compared to field data. Based on the site investigation, two states are analysed, one normally consolidated and the other having an OCR=4. The comparison with numerical results proved well for the two resistance parameters q_c and f_s. Starting from these cases, a parametric analysis based on the loading history (s'_vmax, OCR), the type of consolidation, the cone roughness and the rigidity index (I_r^*) is performed. Cone penetration tests were simulated performing a coupled hydro-mechanical analyses via G-PFEM, a program developed in the last decade at CIMNE-UPC. This tool allows studying the response in terms of effective stress and pore water pressure, even around the cone. Evidence from laboratory tests suggest that the organic clay can be modelled by a reduction to Modified Cam clay of the CASM soil model implemented in G-PFEM. In terms of loading history, the numerical results suggest that the sleeve friction f_s is influenced mostly by the overburden stress while the cone factor N_{kt} by the OCR and the type of consolidation. Roughness shows a small influence on the cone tip resistance q_c. The variation of rigidity index (I_r^*) made by varying the initial shear stiffness (G_0) demonstrated a relatively large change in terms of cone factor compared to the other parameters. Finally, a mechanical interpretation of the cone factor is proposed, relating it to the amount of plastic deviatoric strain.
Valutare la resistenza dei terreni soffici attraverso prove in sito è un argomento importante per garantire la stabilità dei progetti infrastrutturali geotecnici spesso soggetti a variabilità spaziale delle proprie prestazioni. Questo studio presenta soluzioni per migliorare la valutazione della resistenza dei terreni soffici mediante analisi numeriche della prova penetrometrica statica. Nella pratica, la resistenza viene ottenuta dai dati di prova mediante un fattore correttivo calibrato in sede di laboratorio. Questo contributo simula il metodo del problema inverso utilizzato per determinare la resistenza a taglio non drenata (c_u) delle argille soffici, sfruttando sia dati provenienti da un'ampia indagine in sito sia dati di laboratorio nel polder localizzato a Leendert de Boerspolder. L’elaborazione dei dati è stata effettuata per determinare le proprietà geotecniche e la stratigrafia del sito grazie alle letture CPT e agli esperimenti di laboratorio. Per convalidare l'analisi numerica, vengono definiti due casi di riferimento e confrontati con i dati di terreno. Sulla base dell'indagine in sito due stati sono analizzati, uno normalconsolidato e l'altro con un OCR=4. Il confronto con i risultati numerici si è dimostrato corretto per i due parametri di resistenza q_c e f_s. A partire da questi casi, viene eseguita un'analisi parametrica basata sulla storia di carico (s'_vmax,OCR), sul tipo di consolidazione, sulla rugosità del cono e sull'indice di rigidità (I_r). Le prove penetrometriche sono state simulate eseguendo analisi accoppiate idro-meccanicamente tramite G-PFEM, un programma sviluppato nell'ultimo decennio presso il CIMNE-UPC. Questo strumento consente di studiare la risposta in termini di tensione efficace e pressione dell'acqua porosa anche nelle vicinanze del penetrometro. Le prove di laboratorio suggeriscono che l'argilla organica può essere modellata con una semplificazione al Modified Cam clay del modello di terreno CASM implementato in G-PFEM. In termini di storia di carico, i risultati numerici suggeriscono che l’attrito al manicotto f_s sia influenzato principalmente dalla tensione massima, mentre il fattore di cono N_kt dall'OCR e dal tipo di consolidazione. La rugosità mostra poca influenza sulla misura di resistenza alla punta del cono q_c. La variazione dell'indice di rigidezza (I_r^*) eseguita variando la rigidezza a taglio iniziale (G_0) mostra un cambiamento significativo in termini di fattore di cono rispetto agli altri parametri. In fine, viene proposta un'interpretazione meccanica del fattore di cono collegandolo all'accumulo di deformazione deviatorica plastica.
Enhancing soft organic clay strength assessment via CPT: a numerical study supported by field data
Halleux, Arthur
2022/2023
Abstract
Assessing strength of soft soils through in-situ testing is a challenging topic for ensuring the stability of geotechnical infrastructure, often prone to spatial variability in their performance. This study presents solutions to improve soft soil strength assessment by numerical analysis of Cone Penetration Testing. In the practice, strength is obtained from CPT data by laboratory calibration of a cone factor. This contribution simulates the inversion problem method used to determine the undrained shear strength (s_u) of soft clays, exploiting data from an extensive in situ and laboratory investigation at Leendert de Boerspolder. The field campaign has been processed to collect in-situ soil data, capturing the geotechnical properties and stratigraphy of the site thanks to CPT readings and laboratory experiments. To validate the numerical analysis, two reference cases are defined and compared to field data. Based on the site investigation, two states are analysed, one normally consolidated and the other having an OCR=4. The comparison with numerical results proved well for the two resistance parameters q_c and f_s. Starting from these cases, a parametric analysis based on the loading history (s'_vmax, OCR), the type of consolidation, the cone roughness and the rigidity index (I_r^*) is performed. Cone penetration tests were simulated performing a coupled hydro-mechanical analyses via G-PFEM, a program developed in the last decade at CIMNE-UPC. This tool allows studying the response in terms of effective stress and pore water pressure, even around the cone. Evidence from laboratory tests suggest that the organic clay can be modelled by a reduction to Modified Cam clay of the CASM soil model implemented in G-PFEM. In terms of loading history, the numerical results suggest that the sleeve friction f_s is influenced mostly by the overburden stress while the cone factor N_{kt} by the OCR and the type of consolidation. Roughness shows a small influence on the cone tip resistance q_c. The variation of rigidity index (I_r^*) made by varying the initial shear stiffness (G_0) demonstrated a relatively large change in terms of cone factor compared to the other parameters. Finally, a mechanical interpretation of the cone factor is proposed, relating it to the amount of plastic deviatoric strain.| File | Dimensione | Formato | |
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