Strength and Deformation Properties of Tertiary Clay at Moesgaard Museum and FE Investigations on the Interaction between a Pile and Swelling Clay
Translated title
Styrke- og deformationsegenskaber af tertiær ler ved Moesgård Museum og FE undersøgelser af interaktionen mellem en pæl og svellende ler
Author
Kaufmann, Kristine Lee
Term
4. term
Education
Publication year
2010
Submitted on
2010-09-08
Pages
141
Abstract
Afhandlingen består af to selvstændige artikler. Den første beskriver geologi og geoteknik for tertiært ler ved Moesgaard Museum, ca. 10 km syd for Aarhus. Svellende jorder kan udvide sig ved vandoptagelse og løfte (hæve) bygninger. For at kunne projektere sikre fundamenter skal man kende ved hvilke spændingsniveauer opsvulmning opstår (svulmetryk), samt lerets styrke- og deformationsegenskaber. Artiklen bygger på to konsolideringsforsøg og ét triaxialforsøg. Ud fra konsolideringsforsøgene bestemmes svulmetryk, forkonsolideringsspænding (historisk maksimal effektiv spænding), kompressionsindeks (lerets kompressibilitet) og constrained modulus (stivhed ved endimensionel belastning). Triaxialforsøget giver den drænede og udrænede styrke (med og uden porevandets afdræning). Den anden artikel undersøger pælefundamenter i svellende ler ved hjælp af finite element-modellering. Når omkringliggende ler svulmer, kan friktionen mellem jord og pæl påføre pælen ekstra træk, oven i tryk fra sætninger. For at gøre problemet håndterbart adskilles mekanismerne, og en fast pæl, som udsættes for træk på grund af en udgravning (modeleret som aflastning), analyseres. Der ses på hævning af den nye terrænoberflade, forskydningsspændinger i jord–pæl-kontakten og vertikale indre spændinger i pælen, baseret på en case med Little Belt Clay. Resultaterne viser, at pælen skaber en svag zone inden for ca. tre pælediametre fra pælens akse. Den maksimale hævning i zonen falder polynomisk med stigende kontaktsstyrke. Svulmningen medfører opadrettede forskydningsspændinger ved kontaktfladen, som giver trækspændinger i pælen; i den aktuelle case overstiger de betonens trækstyrke. Trækspændingerne kulminerer efter 35–50 år, selv om jordens hævning fortsætter i yderligere omkring 300 år. Udvikling af en plastisk kontakt tyder på, at pælen tilsyneladende bliver kortere (krymper) som følge af slip ved pæloverfladen.
This thesis comprises two separate papers. The first characterizes the geology and geotechnical behavior of tertiary clay at Moesgaard Museum, about 10 km south of Aarhus. Swelling soils can absorb water and expand, lifting (heaving) structures. Safe foundation design requires knowing the stress levels at which swelling occurs (swelling pressure) and the clay’s strength and deformation properties. The paper uses two consolidation tests and one triaxial test. From the consolidation tests, it determines swelling pressure, preconsolidation stress (the past maximum effective stress), compression index (compressibility), and constrained modulus (stiffness under one-dimensional loading). The triaxial test provides drained and undrained strength (with and without pore water drainage). The second paper studies pile foundations in swelling clay using finite element modeling. When surrounding clay swells, friction along the pile induces additional tension, on top of compression from settlements. To make the problem tractable, the mechanisms are decoupled and a fixed pile subjected to tension due to an excavation (modeled as unloading) is analyzed. The study examines heave of the new ground surface, shear stresses at the soil–pile interface, and internal vertical stresses in the pile, based on a case with Little Belt Clay. Results show that the pile creates a weak zone within about three pile diameters from its axis. The maximum heave in this zone decreases polynomially as interface strength increases. Swelling generates upward shear at the interface, causing tensile stresses in the pile that, in this case, exceed the tensile strength of concrete. These tensile stresses peak after 35–50 years, even though soil heave continues for roughly 300 more years. Development of a plastic interface indicates apparent pile shortening (shrinkage) due to slip along the pile surface.
[This abstract was generated with the help of AI]
Keywords
Documents