• No results found

Analysis of the static and dynamic behaviour of hydraulic fills

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Analysis of the static and dynamic behaviour of hydraulic fills"

Copied!
307
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)                                                                            .    .  . E.T.S. DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS  GROUND ENGINEERING AND MORPHOLOGY DEPARTMENT / DEPARTAMENTO DE  INGENIERÍA Y MORFOLOGÍA DEL TERRENO .  .   ANALYSIS OF THE STATIC AND DYNAMIC BEHAVIOUR OF  HYDRAULIC FILLS     . PhD THESIS         MANUEL DÁVILA MADRID  Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos  MADRID, 2014 . PhD THESIS: ANALYSIS OF THE STATIC AND DYNAMIC BEHAVIOUR OF HYDRAULIC FILLS. . UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID .

(2)                                                                             .    .  . E.T.S. DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS  DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA Y MORFOLOGÍA DEL TERRENO .                .  . ANALYSIS OF THE STATIC AND DYNAMIC BEHAVIOUR OF  HYDRAULIC FILLS.     . TESIS DOCTORAL  MANUEL DÁVILA MADRID  Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos    Directores de Tesis:  CLAUDIO OLALLA MARAÑÓN  Dr. Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos    ENRIQUE ASANZA IZQUIERDO  Dr. Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos    MADRID, 2014     . PhD THESIS: ANALYSIS OF THE STATIC AND DYNAMIC BEHAVIOUR OF HYDRAULIC FILLS. . UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID .

(3)                                                                             .    .  .   Autor / Author:  .  . D. Manuel Dávila Madrid . Directores / Directors:     D. Claudio Olalla Marañón          D. Enrique Asanza Izquierdo          Tribunal nombrado por el Mgfco. Y Excmo. Sr. Rector de la Universidad Politécnica de  Madrid, el día …... de …………………………. de 2014.     Presidente D. ……………………………………………………………………………..    Vocal 1º  D. ……………………………………………………………………………...  Vocal 2º  D.…………………………………………………………………………………...  Vocal 3º  D. ………………………………………………………………………………...    Secretario D. ……………………………………………………………………………….    Realizado el acto de defensa y lectura de la tesis el día ……. de ………………… de 2014 en   …………………………….,  los miembros del tribunal acuerdan otorgar la calificación de :  ……………………………………………………………………………. .        EL PRESIDENTE              LOS VOCALES                           EL SECRETARIO .          . PhD THESIS: ANALYSIS OF THE STATIC AND DYNAMIC BEHAVIOUR OF HYDRAULIC FILLS. . TÍTULO DE TESIS / THESIS TITLE:    ANALYSIS OF THE STATIC AND DYNAMIC BEHAVIOUR OF HYDRAULIC FILLS / ANALISIS DEL  COMPORTAMIENTO ESTÁTICO Y DINÁMICO DE RELLENOS HIDRÁULICOS .

(4)                                                                             .    .  .  . En la actualidad existe un gran conocimiento en la caracterización de rellenos hidráulicos, tanto en  su caracterización estática, como dinámica. Sin embargo, son escasos en la literatura estudios más  generales y globales de estos materiales, muy relacionados con sus usos y principales problemáticas  en obras portuarias y mineras. Los procedimientos semi‐empíricos para la evaluación del efecto silo  en  las  celdas  de  cajones  portuarios,  así  como  para  el  potencial  de  licuefacción  de  estos  suelos  durantes  cargas  instantáneas  y  terremotos,  se  basan  en  estudios  donde  la  influencia  de  los  parámetros que los rigen no se conocen en gran medida, dando lugar a resultados con considerable  dispersión. Este es el caso, por ejemplo, de los daños notificados por el grupo de investigación del  Puerto de Barcelona, la rotura de los cajones portuarios en el Puerto de Barcelona en 2007.   Por  estos  motivos  y  otros,  se  ha  decidido  desarrollar  un  análisis  para  la  evaluación  de  estos  problemas  mediante  la  propuesta  de  una  metodología  teórico‐numérica  y  empírica.  El  enfoque  teórico‐numérico  desarrollado  en  el  presente  estudio  se  centra  en  la  determinación  del  marco  teórico y las herramientas numéricas capaces de solventar los retos que presentan estos problemas.  La  complejidad  del  problema  procede  de  varios  aspectos  fundamentales:  el  comportamiento  no  lineal de los suelos poco confinados o flojos en procesos de consolidación por preso propio; su alto  potencial de licuefacción; la caracterización hidromecánica de los contactos entre estructuras y suelo  (camino  preferencial  para  el  flujo  de  agua  y  consolidación  lateral);  el  punto  de  partida  de  los  problemas  con  un  estado  de  tensiones  efectivas  prácticamente  nulo.  En  cuanto  al  enfoque  experimental, se ha propuesto una metodología de laboratorio muy sencilla para la caracterización  hidromecánica del suelo y las interfaces, sin la necesidad de usar complejos aparatos de laboratorio  o procedimientos excesivamente complicados.  Este trabajo incluye por tanto un breve repaso a los aspectos relacionados con la ejecución de los  rellenos hidráulicos, sus usos principales y los fenómenos relacionados, con el fin de establecer un  punto de partida para el presente estudio. Este repaso abarca desde la evolución de las ecuaciones  de consolidación tradicionales (Terzaghi, 1943), (Gibson, English & Hussey, 1967) y las metodologías  de  cálculo  (Townsend  &  McVay,  1990)  (Fredlund,  Donaldson  and  Gitirana,  2009)  hasta  las  contribuciones en relación al efecto silo (Ranssen, 1985) (Ravenet, 1977) y sobre el fenómeno de la  licuefacción (Casagrande, 1936) (Castro, 1969) (Been & Jefferies, 1985) (Pastor & Zienkiewicz, 1986).  Con motivo de este estudio se ha desarrollado exclusivamente un código basado en el método de los  elementos  finitos  (MEF)  empleando  el  programa  MATLAB.  Para  ello,  se  ha  esablecido  un  marco  teórico (Biot, 1941) (Zienkiewicz & Shiomi, 1984) (Segura & Caron, 2004) y numérico (Zienkiewicz &  Taylor,  1989)  (Huerta  &  Rodríguez,  1992)  (Segura  &  Carol,  2008)  para  resolver  problemas  de  consolidación  multidimensional  con  condiciones  de  contorno  friccionales,  y  los  correspondientes  modelos constitutivos (Pastor & Zienkiewicz, 1986) (Fiu & Liu, 2011).   Asimismo,  se  ha  desarrollado  una  metodología  experimental  a  través  de  una  serie  de  ensayos  de  laboratorio  para  la  calibración  de  los  modelos  constitutivos  y  de  la  caracterización  de  parámetros  índice  y  de  flujo  (Castro,  1969)  (Bahda  1997)  (Been  &  Jefferies,  2006).  Para  ello  se  han  empleado  arenas  de  Hostun  como  material  (relleno  hidráulico)  de  referencia.  Como  principal  aportación  se  incluyen una serie de nuevos ensayos de corte directo para la caracterización hidromecánica de la  interfaz suelo – estructura de hormigón, para diferentes tipos de encofrados y rugosidades.  . PhD THESIS: ANALYSIS OF THE STATIC AND DYNAMIC BEHAVIOUR OF HYDRAULIC FILLS. . RESUMEN .

(5)    . Finalmente,  se  han  diseñado  una  serie  de  algoritmos  específicos  para  la  resolución  del  set  de  ecuaciones  diferenciales  de  gobierno  que  definen  este  problema.  Estos  algoritmos  son  de  gran  importancia  en  este  problema  para  tratar  el  procesamiento  transitorio  de  la  consolidación  de  los  rellenos  hidráulicos,  y  de  otros  efectos  relacionados  con  su  implementación  en  celdas  de  cajones,  como  el  efecto  silo  y  la  licuefacciones  autoinducida.  Para  ello,  se  ha  establecido  un  modelo  2D  axisimétrico,  con  formulación  acoplada  u‐p  para  elementos  continuos  y  elementos  interfaz  (de  espesor cero), que tratan de simular las condiciones de estos rellenos hidráulicos cuando se colocan  en las celdas portuarias. Este caso de estudio hace referencia clara a materiales granulares en estado  inicial  muy  suelto  y  con  escasas  tensiones  efectivas,  es  decir,  con  prácticamente  todas  las  sobrepresiones ocasionadas por el proceso de autoconsolidación (por peso propio). Por todo ello se  requiere de algoritmos numéricos específicos, así como de modelos constitutivos particulares, para  los elementos del continuo y para los elementos interfaz. En el caso de la simulación de diferentes  procedimientos de puesta en obra de los rellenos se ha requerido la modificacion de los algoritmos  empleados  para  poder  así  representar  numéricamente  la  puesta  en  obra  de  estos  materiales,  además de poder realizar una comparativa de los resultados para los distintos procedimientos.   La constante actualización de los parámetros del suelo, hace también de este algoritmo una potente   herramienta  que  permite  establecer  un  interesante  juego  de  perfiles  de  variables,  tales  como  la  densidad,  el  índice  de  huecos,  la  fracción  de  sólidos,  el  exceso  de  presiones,  y  tensiones  y  deformaciones.  En  definitiva,  el  modelo  otorga  un  mejor  entendimiento  del  efecto  silo,  término  comúnmente usado para definir el fenómeno transitorio del gradiente de presiones laterales en las  estructuras de contención en forma de silo.   Finalmente  se  incluyen  una  serie  de  comparativas  entre  los  resultados  del  modelo  y  de  diferentes  estudios  de  la  literatura  técnica,  tanto  para  el  fenómeno  de  las  consolidaciones  por  preso  propio  (Fredlund,  Donaldson  &  Gitirana,  2009)  como  para  el  estudio  del  efecto  silo  (Puertos  del  Estado,  2006, EuroCódigo (2006), Japan Tech, Stands. (2009), etc.). Para concluir, se propone el diseño de un  prototipo de columna de decantación con paredes friccionales, como principal propuesta de futura  línea de investigación. .              .  . PhD THESIS: ANALYSIS OF THE STATIC AND DYNAMIC BEHAVIOUR OF HYDRAULIC FILLS. .                                                                             .

(6)                                                                             .    .  . Wide research is nowadays available on the characterization of hydraulic fills in terms of either static  or dynamic behavior. However, reported comprehensive analyses of these soils when meant for port  or mining works are scarce. Moreover, the semi‐empirical procedures for assessing the silo effect on  cells  in  floating  caissons,  and  the  liquefaction  potential  of  these  soils  during  sudden  loads  or  earthquakes are based on studies where the underlying influence parameters are not well known,  yielding  results  with  significant  scatter.  This  is  the  case,  for  instance,  of  hazards  reported  by  the  Barcelona Liquefaction working group, with the failure of harbor walls in 2007.   By virtue of this, a complex approach has been undertaken to evaluate the problem by a proposal of  numerical  and  laboratory  methodology.  Within  a  theoretical  and  numerical  scope,  the  study  is  focused  on  the  numerical  tools  capable  to  face  the  different  challenges  of  this  problem.  The  complexity  is  manifold;  the  highly  non‐linear  behavior  of  consolidating  soft  soils;  their  potentially  liquefactable  nature,  the  significance  of  the  hydromechanics  of  the  soil‐structure  contact,  the  discontinuities  as  preferential  paths  for  water  flow,  setting  “negligible”  effective  stresses  as  initial  conditions. Within an experimental scope, a straightforward laboratory methodology is introduced  for the hydromechanical characterization of the soil and the interface without the need of complex  laboratory devices or cumbersome procedures.  Therefore,  this  study  includes  a  brief  overview  of  the  hydraulic  filling  execution,  main  uses  (land  reclamation, filled cells, tailing dams, etc.) and the underlying phenomena (self‐weight consolidation,  silo  effect,  liquefaction,  etc.).  It  comprises  from  the  evolution  of  the  traditional  consolidation  equations (Terzaghi, 1943), (Gibson, English, & Hussey, 1967) and solving methodologies (Townsend  & McVay, 1990) (Fredlund, Donaldson and Gitirana, 2009) to the contributions in terms of silo effect  (Ranssen,  1895)  (Ravenet,  1977)  and  liquefaction  phenomena  (Casagrande,  1936)  (Castro,  1969)  (Been & Jefferies, 1985) (Pastor & Zienkiewicz, 1986).  The novelty of the study lies on the development of a Finite Element Method (FEM) code, exclusively  formulated for this problem. Subsequently, a theoretical (Biot, 1941) (Zienkiewicz and Shiomi, 1984)  (Segura  and  Carol,  2004)  and  numerical  approach  (Zienkiewicz  and  Taylor,  1989)  (Huerta,  A.  &  Rodriguez, A., 1992) (Segura, J.M. & Carol, I., 2008) is introduced for multidimensional consolidation  problems with frictional contacts and the corresponding constitutive models (Pastor & Zienkiewicz,  1986) (Fu & Liu, 2011).   An  experimental  methodology  is  presented  for  the  laboratory  test  and  material  characterization  (Castro 1969) (Bahda 1997) (Been & Jefferies 2006) using Hostun sands as reference hydraulic fill. A  series of singular interaction shear tests for the interface calibration is included.  Finally, a specific model algorithm for the solution of the set of differential equations governing the  problem  is  presented.  The  process  of  consolidation  and  settlements  involves  a  comprehensive  simulation  of  the  transient  process  of  decantation  and  the  build‐up  of  the  silo  effect  in  cells  and  certain phenomena related to self‐compaction and liquefaction. For this, an implementation of a 2D  axi‐syimmetric  coupled  model  with  continuum  and  interface  elements,  aimed  at  simulating  conditions  and  self‐weight  consolidation  of  hydraulic  fills  once  placed  into  floating  caisson  cells  or  close  to  retaining  structures.  This  basically  concerns  a  loose  granular  soil  with  a  negligible  initial  effective stress level at the onset of the process. The implementation requires a specific numerical  algorithm as well as specific constitutive models for both the continuum and the interface elements.  The  simulation  of  implementation  procedures  for  the  fills  has  required  the  modification  of  the . PhD THESIS: ANALYSIS OF THE STATIC AND DYNAMIC BEHAVIOUR OF HYDRAULIC FILLS. . ABSTRACT .

(7)                                                                             .    .  . Furthermore, the continuous updating of the model provides an insightful logging of variable profiles  such  as  density,  void  ratio  and  solid  fraction  profiles,  total  and  excess  pore  pressure,  stresses  and  strains.  This  will  lead  to  a  better  understanding  of  complex  phenomena  such  as  the  transient  gradient  in  lateral  pressures  due  to  silo  effect  in  saturated  soils.  Interesting  model  and  literature  comparisons for the self‐weight consolidation (Fredlund, Donaldson, & Gitirana, 2009) and the silo  effect  results  (Puertos  del  Estado  (2006), EuroCode  (2006),  Japan  Tech,  Stands.  (2009)).  This  study  closes with the design of a decantation column prototype with frictional walls as the main future line  of research.                                       . PhD THESIS: ANALYSIS OF THE STATIC AND DYNAMIC BEHAVIOUR OF HYDRAULIC FILLS. . algorithm so that a numerical representation of these procedures is carried out. A comparison of the  results for the different procedures is interesting for the global analysis. .

(8)                                                                             .    .  . I  would  like  to  take  this  opportunity  to  thank  the  people  who  contributed  to  this  research  and  without whom this would not have gone ahead and had success. I would like to particularly thank my  Thesis directors and supervisors, Dr Professor Claudio Olalla and Dr Enrique Asanza. Their practical  knowledge and attention to detail taught me many valuable lessons and furthered my understanding  of  geotechnical  engineering  greatly.  Their  assistance  and  continue  motivation  in  editing  and  analyzing the research performed was essential for the success of my doctoral programme.  Special thanks also go to Dr Professor Manuel Pastor and Dr Pablo Mira and the rest of the members  of the Computational Geomechanics Group in CEDEX, Ana Sofía Benítez and Silvia Sancho, who share  their  time  of  research  with  me.  I  am  very  thankful  for  their  practical  support  in  completing  the  aspects of this research related to the numerical computation and software programming. I greatly  enjoyed  my  time  with  them  at  the  office  in  CEDEX,  where  their  assistance  greatly  improved  my  understanding in this field, as well as the enjoyment of our free time in the laboratory.  I  would  also  like  to  thank the  members  of  “Applied  Geotechnics” Department  in  CEDEX  that  I  was  part:  Dr  Roberto  Fernández,  Dr  Áurea  Perucho,  José  Antonio  Díez  and  specially  Dr  José  Manuel  Martínez  Santamaría,  for  their  constant  assistance  in  analysing  and  improving  of  the  research  performed  and  for  the  search  of  financial  aid.  I  have  benefited  greatly  from  their  insights  and  assistance.   Special thanks go also to Institute of Geotechnical Engineering and Construction Management of the  Hamburg University of Technology (TUHH), particularly in the figure of Prof. Dr. Ing. Jürgen Grabe for  the global support given, to carry out a short stay in Hamburg.  The Geotechnical Laboratory of the National Public Works and Engineering Research Centre (CEDEX),  throughout  the  figure  of  its  Director  Dr  Fernando  Pardo,  also  deserves  acknowledgement  for  the  financial support provided for this project through a four year scholarship – research staff training  contract. I also would like to highlight the special aid received by the laboratory staff, especially José  María Toledo, Clemente Arias and J. Luis Miranda, and the Responsible of the Triaxials Laboratory,  Dr. Jose Estaire, who put their trust on me to carry out the test laboratory campaign necessary to  achieve the empirical goals of this research. Also special thanks to Dr Marta Sánchez, from Central  Structures  Laboratory  in  CEDEX,  for  the  collaboration  in  the  preparation  of  concrete  specimen  for  the laboratory tests.  My enduring gratitude goes to all my family; specially my parents, Manolo and María, and my sister  Isabel who supported and encouraged me throughout my education. Finally, I would like to thank all  my  closer  friends,  whose  encouragement  and  support  enabled  me  to  pursue  my  interest  in  this  research. . PhD THESIS: ANALYSIS OF THE STATIC AND DYNAMIC BEHAVIOUR OF HYDRAULIC FILLS. . ACKNOWLEDGEMENTS .

(9)  . INDEX  RESUMEN ..................................................................................................................... 4  ABSTRACT ..................................................................................................................... 6  ACKNOWLEDGEMENTS ................................................................................................ 8  1.  INTRODUCTION AND TARGETS ............................................................................. 1  1.1 . INTRODUCTION. ........................................................................................... 1 . 1.2 . MAIN TARGETS............................................................................................. 1 . 2.  HYDRAULIC FILLS. STATE OF KNOWLEDGE. .......................................................... 5  2.1  2.1.1  2.1.2  2.2  2.2.1  2.2.2  2.2.3  2.2.4  2.2.5  2.3  2.3.1  2.3.2  2.3.3  2.3.4  2.4  2.4.1  2.4.2 . A GENERAL HYDRAULIC FILLS SCOPE. .......................................................... 5  Hydraulic fills main uses. Construction methods reclamation. ............. 5  Fill mass properties and general classifications..................................... 8  SELF WEIGHT LARGE STRAIN CONSOLIDATION. ........................................ 15  Literature overview. Significant additions. .......................................... 15  Coordinate Systems. ............................................................................ 19  Theory review. The Dependent Variable. ............................................ 20  Constitutive Equations. ........................................................................ 25  Conclusions. ......................................................................................... 25  ARCH‐SILO EFFECT. FLOATING CAISSON CELLS. ........................................ 26  Introduction ......................................................................................... 26  Construction aspects. .......................................................................... 28  Actions affection of caisson cells. ........................................................ 31  Actions estimations.............................................................................. 33  LIQUEFACTION OF HYDRAULIC FILLS. ........................................................ 35  Historical review of liquefaction phenomena. .................................... 35  Theory review. ..................................................................................... 41 . 3.  NUMERICAL MODELING. ..................................................................................... 51  3.1 . INTRODUCTION .......................................................................................... 51 . Manual Pequeñas Presas para Países en Desarrollo .  .  I | P a g e  .

(10)  . 3.2  3.2.1  3.2.2  3.3  3.3.1  3.3.2  3.3.3  3.4  3.4.1  3.4.2  3.5  3.5.1  3.5.2  3.6  3.6.1  3.6.2 . HYDRO‐MECHANICAL DESCRIPTION. ......................................................... 51  Continuous elements ........................................................................... 51  Interface elements ............................................................................... 59  FEM IMPLEMENTATION. ............................................................................ 61  Continuous elements ........................................................................... 61  Interface elements and discontinuous porous media. ........................ 69  FEM implementation particularities. ................................................... 77  CONSTITUTIVE MODELS. CLASSIC AND GENERALIZED PLASTICITY. .......... 82  Continuous elements. .......................................................................... 82  Interface elements. ............................................................................ 108  ALGORITHM ADAPTION TO THE HIGHLY NON‐LINEAR PROBLEM. ......... 114  Continuous elements ......................................................................... 114  Interface elements ............................................................................. 123  FEM IMPLEMENTATION OF THE DYNAMIC PROBLEM. ........................... 130  Continuous elements ......................................................................... 130  Interface elements ............................................................................. 135 . 4.  LABORATORY CHARACTERISATION CAMPAIGN................................................ 140  4.1 . INTRODUCTION ........................................................................................ 140 . 4.2 . HOSTUN SANDS AS MATERIAL EMPLOYEED. ........................................... 140 . 4.3 . FILLS LABORATORY CHARACTERISTATION. .............................................. 141 . 4.3.1  Triaxial Tests. ..................................................................................... 141  4.3.2  Triaxial  Test  Results.  Strength,  deformational  and  flux  characterisation. ............................................................................................... 155  4.3.3  Isotropic  consolidation  in  the  triaxial  cell.  Deformational  and  flux  characterisation. ............................................................................................... 158  4.3.4  Oedometers Test results. Deformational and Flux characterisation. 163  4.4  4.4.1  4.4.2  4.4.3 . CONSTITUTIVE MODEL ASIGNATION FOR THE INTERFACE. .................... 168  Direct Shear Test. ............................................................................... 168  Shear Test results. Strength and deformational characterisation. ... 174  Shear Test results. Flow characterisation. ......................................... 179 . 5.  CALIBRATION OF THE FEM MODEL AND CALCULATIONS. ................................ 183  5.1 . FEM MODEL VERIFICATIONS.................................................................... 183 . Manual Pequeñas Presas para Países en Desarrollo .  .  II | P a g e  .

(11)  . 5.2 . GENERAL CONSOLIDATION AND SETTLEMENTS. ..................................... 183 . 5.3 . LIMIT LOAD PROBLEM BY DISPLACEMENT CONTROL ............................. 185 . 5.4 . INTERFACE CONSOLIDATION ................................................................... 197 . 5.5 . DYNAMIC ELASTIC PROBLEM ................................................................... 199 . 5.6 . SELF‐WEIGHT CONSOLIDATION PROBLEM .............................................. 207 . 5.7 . SILO EFFECT CHECKING ............................................................................ 213 . 5.7.1  5.7.2  5.7.3  5.7.4 . Introduction to the problem .............................................................. 213  Silo effect analysis for wooden formwork concrete walls ................. 219  Silo effect analysis for metal formwork concrete walls..................... 221  Analysis of Silo effect results ............................................................. 224 . 5.8 . IMPLEMENTATION PROCEDURE AND EXTERNAL LOAD APPLICATION. .. 226 . 5.9 . JACOBIAN MATRIX MODIFICATION ......................................................... 231 . 5.10 . NUMERICAL VERIFICATIONS OF THE MODEL .......................................... 235 . 6.  DESIGN  AND  SETUP  OF  A  FULLY  INSTRUMENTED  COLUMN  OF  FILLS  DECANTATION. ......................................................................................................... 237  6.1  6.1.1  6.1.2  6.2  6.2.1  6.2.2  6.3  6.3.1  6.3.2  6.3.3  6.4  6.4.1 . BACKGROUND. ......................................................................................... 237  Introduction. ...................................................................................... 237  Research experiences. ....................................................................... 238  THEORETICAL LAYOUT. ............................................................................ 240  General description. .......................................................................... 240  Operating scheme. ............................................................................. 243  TECHNICAL DETAILS LAYOUT. .................................................................. 245  Mechanical layout .............................................................................. 245  Instrumentation and monitoring ....................................................... 250  Data acquisition system ..................................................................... 251  COLUMN SETUP. ...................................................................................... 252  Equipment setup steps: ..................................................................... 252 . 7.  CONCLUSIONS AND FUTURE RESEARCH LINES. ................................................ 256  7.1 . CONCLUSIONS. ......................................................................................... 256 . Manual Pequeñas Presas para Países en Desarrollo .  .  III | P a g e  .

(12)  . 7.1.1  7.1.2  7.1.3  7.2  7.2.1  7.2.2 . Theoretical and numerical approach. ................................................ 256  Laboratory approach. ........................................................................ 257  Algorithm implementation and results. ............................................ 258  FUTURE RESEARCH LINES. ....................................................................... 261  Decantation column........................................................................... 261  Future theoretical and laboratory research lines. ............................. 261 . APPENDIXES ............................................................................................................. 273  APPENDIX A .............................................................................................................. 274  APPENDIX B .............................................................................................................. 287   .                      . Manual Pequeñas Presas para Países en Desarrollo .  .  IV | P a g e  .

(13)  . FIGURE INDEX  Figure 1. Trailing Suction Hopper Dredger, TSHD (Hydraulic Fill Manual, 2012). ................................... 6  Figure 2. Rainbowing (Hydraulic Fill Manual, 2012). .............................................................................. 7  Figure 3. Staged bund construction under water using a grab dredger (Hydraulic Fill Manual, 2012). . 8  Figure 4. Fines / Water Content / Solid Content diagram (Scott & Cymerman, 1984). ........................ 11  Figure 5. Formation of clay balls on the reclamation area (Hydraulic Fill Manual, 2012). ................... 12  Figure 6. Pre‐loading of subsoil and effect of vertical drains (Hydraulic Fill Manual, 2012). ............... 13  Figure 7. Crane mounted with tandem vibratory probes (Hydraulic Fill Manual, 2012). ..................... 14  Figure 8. Dynamic compaction machine (Hydraulic Fill Manual, 2012). ............................................... 14  Figure 9. Behavior scheme proposed by Imai (1981). .......................................................................... 17  Figure 10. Comparison of Eulerian and Lagrangian coordinate systems (Schiffman, Vick, & Gibson,  1988). .......................................................................................................................................... 19  Figure 11. Different relationships of describing soil deformations. ..................................................... 22  Figure 12. Comparative of lateral pressures. ........................................................................................ 27  Figure 13. 3D perspective of a floating caisson. ................................................................................... 28  Figure 14. Floating dock construction process sequences. ................................................................... 29  Figure 15. Continuum sliding process. .................................................................................................. 29  Figure 16. Caisson installation procedures. .......................................................................................... 30  Figure 17. Filling of the caisson cells with rainbowing techniques. ...................................................... 31  Figure 18. Final layout / section of a floating dock. .............................................................................. 31  Figure 19. Pressures exerted when filling a cell (Silo Effect). ............................................................... 32  Figure 20. Dock : Loads exerted on the outer wall at the service stage (Silo Effect). ........................... 32  Figure 21. Compression stresses exerted upon the inner wall (Silo Effect). ......................................... 33  Figure 22. Pressures distribution when filling a cell (Silo Effect) according to Spanish code. .............. 34  Figure 23. Aerial view of Fort Peck failure (U.S. Army Corps of Engineers, 1939)). .............................. 36  Figure 24. Nerlerk B‐67 berm and foundation cross section (from Been et al., 1987, with permission  NRC of Canada). .......................................................................................................................... 37  Figure 25. Apartment building at Kawagishi‐cho in 1964 Niigata earthquake (Kawasumi‐Hirosi, 1968).  ..................................................................................................................................................... 37  Figure 26. Liquefaction failure of Lower San Fernando Dam after the 1971 earthquake (University of  California, Berkeley). ................................................................................................................... 38  Figure 27. Aerial view of the Merriespruit tailings dam failure showing the path of the mudflow  (Fourie et al., 2001). .................................................................................................................... 39  Figure 28. Gulf Canada’s Molikpaq structure in the Beaufort Sea. ....................................................... 40 . Manual Pequeñas Presas para Países en Desarrollo .  .  V | P a g e  .

(14)  . Figure 29. Details of cyclic ice loading and excess pore pressure (Jefferies & Been, 2006). ................ 40  Figure 30. Failure of embankment on Ackermann Lake triggered by vibroseis trucks (from Hryciw et  al., 1990). ..................................................................................................................................... 41  Figure 31. Triaxial tests on dense and loose sands (Zienkiewicz et al., 1999). ..................................... 42  Figure 32. Difference between rate and absolute definitions of dilatancy (Jefferies & Been, 2006). .. 42  Figure 33. Critical void ratio hypothesis from direct shear tests (Casagrande, 1975). ......................... 43  Figure 34. Definición del Parámetro de estado (después de Been & Jefferies, 1985). ......................... 44  Figure 35. Instability or flow liquefaction line for onset of liquefaction (after Yang, 2002). ................ 45  Figure 36. Collapse surface representation for onset of liquefaction (after Yang, 2002). .................... 46  Figure 37. Liquefaction types according to Robertson & Fear (1996). ................................................. 47  Figure 38. Scheme for soil undrained behaviour for triaxial compression under static load. (Robertson  y Wride, 1998). ............................................................................................................................ 47  Figure 39. Scheme for soil cyclic undrained behaviour illustrating cyclic liquefaction in a sample with  initial shear stress. (adapatada de Robertson y Wride, 1998). ................................................... 49  Figure 40. Scheme of the aperture and u variable for the interface. ................................................... 60  Figure 41. Elements implemented in the hydraulic fills model. ........................................................... 63  Figure 42. Eight‐node quadratic and four‐node linear quadrilateral elements. ................................... 64  Figure 43. Zero‐thickness interface elements for the contact. ............................................................. 70  Figure 44. Scheme of the axi‐symmetry of the model. ......................................................................... 80  Figure 45. Capped DP model. Yield surface (De Souza et al., 2008). .................................................... 84  Figure 46. Capped DP model. Flow vectors (De Souza et al., 2008). .................................................... 85  Figure 47. Drucker‐Prager model. Return mapping to cone and apex. ................................................ 90  Figure 48. Modified Cam‐Clay model. Yield surface. ............................................................................ 91  Figure 49. CDP model. Algorithm for selection of the correct return‐mapping procedure (De Souza et  al., 2008). ..................................................................................................................................... 97  Figure 50. Theoretical yield surface for Pastor Zienkiewicz model..................................................... 104  Figure 51. Schematic behaviour of undrained sand for different Dr (in % per one)........................... 105  Figure 52. Coulomb yield locus for an interface element. .................................................................. 110  Figure 53. Shear behaviour predicted by the Fu‐Liu model. ............................................................... 114  Figure 54. Empirical Relationships for Estimating Hydraulic Conductivity. ........................................ 118  Figure 55. Hostun sands size grain curve. ........................................................................................... 141  Figure 56. Triaxial Cell with Tubular Load cell Mounted Directly in the Loading Piston (Garlanger,  1970). ........................................................................................................................................ 142  Figure 57. Illustration of sample preparation methods for clean sands (from Ishihara 1993). .......... 144  Figure 58. Sample preparation process. ............................................................................................. 146 . Manual Pequeñas Presas para Países en Desarrollo .  .  VI | P a g e  .

(15)  . Figure 59. CO2 flushing process for the fully saturation. .................................................................... 147  Figure 60. Skempton’s B values verification process. ......................................................................... 148  Figure 61. CO2 Isotropic consolidation and volumetric strain monitoring process. ........................... 149  Figure 62. Deviatoric stress application with piston displacement in triaxial cell. ............................. 150  Figure 63. Volume changes during triaxial test (for a drained test on a dilatant sample). ................. 150  Figure 64. Potential error in void ratio during saturation (from Sladen and Handford, 1987). .......... 151  Figure 65. Saturation influence on the void ratio (Bahloul, 1990). ..................................................... 152  Figure 66. Isotropic compressibility curves (El Hachem, 1987). ......................................................... 152  Figure 67. Membrane penetration scheme. ....................................................................................... 153  Figure 68. Normalized membrane penetration vs grain size (Salden et al., 1985). ............................ 154  Figure 69. Comparison of CSL determined from load controlled and strain rate controlled triaxial  compression tests (Been & Jefferies, 2006). ............................................................................. 154  Figure 70. Lubricated end platen for triaxial testing of sands. ........................................................... 155  Figure 71. Drained behavior of Hostun Sand in compression triaxial test; the variation of deviatoric  stress with axial strain, for Dr = 60 %. ....................................................................................... 157  Figure 72. Hostun sand stress paths for PZ model calibration for different ranges of Dr. Loose (a) and  Medium Dense (b) (some tests from Bahda F. PhD Thesis, 1997). ........................................... 158  Figure 73. Isotropic consolidation process for a sample ICC‐1. .......................................................... 159  Figure 74. Isotropic consolidation graph for Hostun Sand. ................................................................ 160  Figure 75. Determination of t90 through the consolidation curve. Taylor Method. .......................... 162  Figure 76. Graph with the permeability – void ratio relationship for Hostun Sand. .......................... 163  Figure 77. Oedometer graph for Hostun Sands tests. ........................................................................ 164  Figure 78. Taylor method application to time curves. ........................................................................ 166  Figure 79. Medium loose Hostun sand permeability evolution with void ratio. ................................ 168  Figure 80. Stress conditions in the simple shear test. ........................................................................ 169  Figure 81. Formwork specimen preparation (wooden and metallic formwork). ............................... 172  Figure 82. Specimen preparation for Direct Shear Test. ..................................................................... 173  Figure 83. Hostun sand – concrete structure (wooden formwork) test results calibration with Fu‐Liu  model. ....................................................................................................................................... 176  Figure 84. Hostun sand – concrete structure (metal formwork) test results calibration with Fu‐Liu  model. ....................................................................................................................................... 177  Figure 85. Soil‐concrete interfaces strength. ...................................................................................... 178  Figure 86. Soil‐concrete interfaces normal strain behaviour (b). ....................................................... 178  Figure 87. Deformational results for initial consolidation in shear tests. ........................................... 180  Figure 88. Taylor method application to time curves. ........................................................................ 181 . Manual Pequeñas Presas para Países en Desarrollo .  .  VII | P a g e  .

(16)  . Figure 89. Graph with the permeability – void ratio relationship for Hostun Sands. ......................... 182  Figure 90. Scheme of the settlement – consolidation problem. ........................................................ 184  Figure 91. Analytical and FEM results comparison. ............................................................................ 185  Figure 92. Non linear coupled FE code structure based on the Newton‐Raphson method. .............. 185  Figure 93. Limit load for a FEM problem. ........................................................................................... 186  Figure 94. Geometry of the limit load analysis for a circular footing. ................................................ 192  Figure 95. Approximated failure shape due to a bearing pressure. ................................................... 193  Figure 96. Limit load by the FEM model problem for the Von Mises case. ........................................ 194  Figure 97. Failure shape due to a bearing pressure with the FEM model for the Von Mises case. .... 194  Figure 98. Load‐displacements curves by the Drucker‐Prager perfectly plastic models with different  material constants (Chen, W.F. & Liu, X.L. “Limit Analysis in Soil Mechanics”, 1990). ............. 195  Figure 99. Limit load by the FEM model for the CDP model for the compression (a) and extension (b)  case............................................................................................................................................ 195  Figure 100. Failure shape due to a bearing pressure with the FEM model for the CPD in extension. 196  Figure 101. Initial failure wedge (represented by plastic strains) due to bearing pressure with the  FEM model for the CPD in extension. ....................................................................................... 196  Figure 102. Discontinuity consolidation problem geometry. ............................................................. 197  Figure 103. Fluid pressure distributions at different times from FEM model and analytically. ......... 199  Figure 104. Discontinuity settlements evolution with time from FEM model. ................................... 199  Figure 105. Scheme for one‐dimensional dynamic stress equilibrium. .............................................. 200  Figure 106. Scheme for one‐dimensional wave transmission. ........................................................... 202  Figure 107. Geometry of the dynamic problem for a P wave input at the base. ............................... 203  Figure 108. Geometry of the dynamic problem for an S wave input at the base. .............................. 203  Figure 109. P and S waves with time for the dynamic problem. ........................................................ 204  Figure 110. P and S waves with space for the dynamic problem. ...................................................... 205  Figure 111. Graphic results with P wave displacement versus time from dynamic FEM model. ....... 206  Figure 112. Graphic results with S wave displacement versus time from dynamic FEM model. ....... 206  Figure 113. Schematic soil/discontinuity index parameters. .............................................................. 208  Figure 114. Schematic FEM algorithm structure for self‐weight large strain consolidation problems.  ................................................................................................................................................... 209  Figure 115. FEM model and FSConsol polynomial relationship for compressibility. .......................... 210  Figure 116. FEM model and FSConsol polynomial relationship for permeability ............................... 211  Figure 117. FSConsol analysis input parameters in compressibility and permeability. ...................... 211  Figure 118. FEM model and FSConsol results for void ratio versus height with time. ....................... 212  Figure 119. FEM model and FSConsol results for pore pressure dissipation along the vertical. ........ 212 . Manual Pequeñas Presas para Países en Desarrollo .  .  VIII | P a g e  .

References

Related documents

By redefining disability in relation to social barriers which exclude disabled people from full participation in society and further by making a claim of the shared experience

each right atrial electrogram was accompanied by an action potential recorded from the bundle of His, and that the atrial-to-His bundle conduction time (RA-BH)

Lipopolysaccharide activated C6 glial cells witnessed significantly lower cell proliferation in the presence of the drug during the 48 hours of incubation and the

While some papers in the literature acknowledge that there may be conflicting price pres- sures from refined price changes and the equilibrium error, the models are still restricted

The purpose of the present study was to determine the relationship between five dimensions of the epistemological beliefs regarding structure of knowledge,

On this graph a minimum- weight perfect matching is calculated which yields a maximum even-degree edge set of the dual graph, and therefore a max-cut of the original graph.. Thus,

We have audited the accompanying consolidated financial statements of Wilton Reinsurance Bermuda Limited and its subsidiary (the “Company”), which comprise the consolidated

Indicative total cost Contributions Estimated expenditure June 2012 Approved Indicative Work description Australian Government Queensland Government 2012-13 2013-14 2014-15 to