Assessment of Pohang Earthquake-Induced Liquefaction at Youngil-Man Port Using the UBCSAND2 Model

The practical constitutive model UBCSAND2, which combines two-mobilized planes—a maximum shear stress plane and a horizontal plane within a framework of classical plasticity approach—is used to incorporate shear-induced effects in both loading and unloading as well as principal stress rotation effects. UBCSAND2 was calibrated by capturing cyclic direct simple shear (CDSS) test results of Pohang sand, which was collected from liquefied paddy fields due to the 2017 Pohang earthquake (Mw = 5.4) in South Korea. The model procedure focuses on simple shear condition because it best simulates field conditions under earthquake loading. The calibrated UBCSAND2 model is then used to assess the liquefaction-induced damages that occurred at the quay wall and backfill layer in Youngil-man port near the epicenter of the Pohang earthquake. The numerical results show that liquefaction mostly occurred in silty sand layers, in which the excess pore pressure ratio reached almost one. The estimated displacements of the quay wall and the predicted settlement of reclaimed area obtained from the analysis were in good agreement with those obtained from field measurements

Centrifuge modelling of spoil slopes within pit-lake mine reclamations

Pit lakes are a common form of reclamation of areas where open pit mining activities have taken place. The development of these lakes often uses previous overburden materials, or “spoils”, that are readily available. Depending on the local geology, these spoil materials can contain large proportions of high-plasticity clays, which poses challenges in terms of the analysis and design of the sloped banks constructed to form new lakes. This paper describes a study in which geotechnical centrifuge modelling was used to investigate the stability and performance, in terms of accumulated displacements over cycles of lowering and raising the lake water elevation, of slopes constructed with a high-plasticity clay. A “replica-spoil” material was used in the tests to replicate key characteristics of spoil materials from known spoil heaps in Europe. The paper describes the centrifuge models and testing procedure developed for the tests, as well as the challenges encountered with the use of the high-plasticity clay. Two slope angles were tested: a 15 slope to match the typical slopes at a known field site, and a steeper 24 slope. Pore pressures within the slope were measured over several cycles of lake water elevation change. Slope displacements were measured using local transducers placed at the slope crest and toe, as well as using a PIV image analysis technique. The slopes were shown to experience plastic deformations, with displacements accumulating over subsequent cycles of lake water level change. The 24 slope developed slightly larger accumulated displacements than the 15 slope, though neither slope showed signs of ultimate collapse. Results from the centrifuge tests provide invaluable data which can be used for the verification of numerical models considering similar stability scenarios

Systemy fundamentowania w zrównoważonej rewitalizacji terenów zwałowisk pogórniczych

The design of foundations systems is well established in the literature and codes of practice. However, these are generally applicable to well characterised, homogenous ground conditions. Spoil materials represent a significant challenge when implementing these design procedures due to their time-dependent characteristics, their spatial variability , and the likelihood that they will consist of low strength/stiffness materials. As such, careful consideration is required when designing foundation systems on spoil materials, especially for sensitive structures such as wind turbines. Physical modelling experiments using a geotechnical centrifuge were conducted to study the spoil-foundation system interaction. In these tests, an equivalent spoil was used that provided satisfactory reproduction of key physical and mechanical characteristics of a real spoil material. Three types of foundation systems were considered in the centrifuge tests: (1) raft foundation, (2) pile-group foundation, and (3) pile-raft foundation. The long-term cyclic loading of 87kN, 171kN and 460kN maximum cyclic load were used for the raft foundation. A higher cyclic load of 501kN was applied to the pile-group and pile-raft foundations. To evaluate the effect of climatic condition variations on spoil-foundation interactions, the centrifuge tests were carried out at different water table levels within the spoil material. The experimental results were analysed in terms of foundation rotation and foundation vertical settlement. The raft foundation rotated around 0.1-0.2 degrees and vertically displaced by 5-10 mm, whereas the pile-group rotated about 0.6-0.8 degrees and vertically displaced by 20-30 mm due to long-term cyclic loading. The pile-raft foundation displayed better response as compared to pile-group foundation.Projektowanie systemów fundamentowych jest dobrze ugruntowane w literaturze i w praktyce. Systemy te mają jednak zastosowanie do dobrze scharakteryzowanych, jednorodnych warunków gruntowych. Materiały zwałowe stanowią poważne wyzwanie przy wdrażaniu procedur projektowych ze względu na ich charakterystykę zależną od czasu, ich zmienność przestrzenną oraz duże prawdopodobieństwo, że będą się składać z materiałów o niskiej wytrzymałości/sztywności. W związku z tym, projektowanie systemów fundamentowych na zwałowiskach, szczególnie w przypadku wrażliwych konstrukcji, takich jak turbiny wiatrowe, wymaga starannego podejścia. W celu zbadania interakcji pomiędzy materiałem zwałowym a systemem fundamentowym przeprowadzono eksperymenty modelowania fizycznego z wykorzystaniem wirówki geotechnicznej. W badaniach tych zastosowano materiał równoważny, który zapewniał zadowalające odzwierciedlenie kluczowych cech fizycznych i mechanicznych rzeczywistego materiału. W badaniach wirówkowych rozpatrywano trzy rodzaje systemów fundamentowych: (1) fundamenty płytowe, (2) fundamenty wielopalowe oraz (3) fundamenty palowo-płytowe. Dla fundamentów płytowych zastosowano długotrwałe obciążenie cykliczne o maksymalnej wartości 87kN, 171kN i 460kN. Dla fundamentów wielopalowych i palowo-płytowych zastosowano większe obciążenie cykliczne - 501kN. W celu oceny wpływu zmienności warunków klimatycznych na interakcje zwałowisko-fundamenty, przeprowadzono badania wirówkowe przy różnych poziomach zwierciadła wody w obrębie zwałowiska. Wyniki eksperymentów analizowano pod kątem rotacji fundamentu i jego osiadania pionowego. W wyniku długotrwałego obciążenia cyklicznego fundament płytowy obrócił się o około 0,1-0,2 stopnia i przesunął w pionie o 5-10 mm, natomiast fundament wielopalowy obrócił się o około 0,6-0,8 stopnia i przesunął w pionie o 20-30 mm. Fundamenty palowo-płytowe odznaczały się lepszą reakcją w porównaniu do fundamentu wielopalowego

Wpływ przestrzennego zróżnicowania właściwości materiału zwałowego na przemieszczenia zboczy w warunkach gwałtownego spiętrzenia wód zbiorników poeksploatacyjnych

In many European countries, lignite or brown coal is used as a fuel source in steam-electric power generation. Upon completion of mining activities, a reclamation plan is imperative to ensure environmental and social prosperity of local areas. Abandoned mine pits are often reclaimed by creating a pit lake. Reclamation of large lignite open pit mine sites may use large amounts of previous overburden materials or “spoils” to create the slopes of the pit lake. Spoils are anthropogenic materials with large spatial variation in properties, hence, considering mean values of shear strength and hydraulic parameters to assess stability and seasonal displacements will not fully simulate actual field conditions. This paper considers the effect of spatial variation on slope stability and ground movements during rapid drawdown events (a critical case) using coupled flow-deformation 2D finite element analyses, incorporating unsaturated soil suctions above the phreatic surface. Effects of heterogeneity and randomness of spoils on the response of the slope are considered through random field modelling and the Monte-Carlo simulation technique. Four lognormally distributed random variables (spoil cohesion, friction angle, void ratio, and permeability coefficient) are examined. The effect of spatial variability of spoils is shown to be important; a significant number of the random field analyses resulted in larger displacements compared to a benchmark deterministic analysis adopting uniform mean parameter values.W wielu krajach europejskich węgiel brunatny jest wykorzystywany jako źródło paliwa w energetyce parowo-elektrycznej. Po zakończeniu działalności górniczej konieczne jest opracowanie planu rekultywacji w celu zapewnienia środowiskowego i społecznego dobrostanu okolicznych obszarów. Opuszczone wyrobiska górnicze są często rekultywowane poprzez utworzenie w nich zbiorników wodnych. W rekultywacji dużych kopalni odkrywkowych węgla brunatnego do tworzenia zboczy zbiornika można wykorzystać duże ilości wcześniejszych materiałów nadkładowych lub „odpadowych”. Materiał zwałowy jest materiałem antropogenicznym o dużej przestrzennej zmienności właściwości, dlatego też przyjęcie średnich wartości wytrzymałości na ścinanie i parametrów hydraulicznych w celu oceny stabilności i sezonowych przemieszczeń nie będzie w pełni odzwierciedlać rzeczywistych warunków terenowych. W niniejszej pracy rozważano wpływ zmienności przestrzennej na stabilność zboczy i przemieszczenia gruntu podczas gwałtownego obniżenia poziomu wody (przypadek krytyczny), stosując sprzężone analizy 2D metodą elementów skończonych typu przepływ-deformacja, z uwzględnieniem ssania gruntów nienasyconych powyżej powierzchni freatycznej. Wpływ heterogeniczności i losowości materiału na zachowanie zbocza rozważany jest poprzez modelowanie pola losowego i technikę symulacji Monte-Carlo. Badane są cztery zmienne losowe (kohezja materiału, kąt tarcia, wskaźnik porowatości i współczynnik przepuszczalności) w rozkładach log-normalnych. Wykazano, że wpływ przestrzennej zmienności materiału zwałowego jest istotny; znaczna liczba analiz z wykorzystaniem pola losowego skutkowała większymi przemieszczeniami w porównaniu z wzorcową analizą deterministyczną, w której przyjęto jednolite średnie wartości parametrów

Effect of spatial variation of spoil material properties on slope displacements under rapid drawndown of pit lakes

In many European countries, lignite or brown coal is used as a fuel source in steam-electric power generation. Upon completion of mining activities, a reclamation plan is imperative to ensure environmental and social prosperity of local areas. Abandoned mine pits are often reclaimed by creating a pit lake. Reclamation of large lignite open pit mine sites may use large amounts of previous overburden materials or “spoils” to create the slopes of the pit lake. Spoils are anthropogenic materials with large spatial variation in properties, hence, considering mean values of shear strength and hydraulic parameters to assess stability and seasonal displacements will not fully simulate actual field conditions. This paper considers the effect of spatial variation on slope stability and ground movements during rapid drawdown events (a critical case) using coupled flow-deformation 2D finite element analyses, incorporating unsaturated soil suctions above the phreatic surface. Effects of heterogeneity and randomness of spoils on the response of the slope are considered through random field modelling and the Monte-Carlo simulation technique. Four lognormally distributed random variables (spoil cohesion, friction angle, void ratio, and permeability coefficient) are examined. The effect of spatial variability of spoils is shown to be important; a significant number of the random field analyses resulted in larger displacements compared to a benchmark deterministic analysis adopting uniform mean parameter values

Foundation systems for sustainable revitalisation of spoil dump areas

The design of foundations systems is well established in the literature and codes of practice. However, these are generally applicable to well characterised, homogenous ground conditions. Spoil materials represent a significant challenge when implementing these design procedures due to their time-dependent characteristics, their spatial variability , and the likelihood that they will consist of low strength/stiffness materials. As such, careful consideration is required when designing foundation systems on spoil materials, especially for sensitive structures such as wind turbines. Physical modelling experiments using a geotechnical centrifuge were conducted to study the spoil-foundation system interaction. In these tests, an equivalent spoil was used that provided satisfactory reproduction of key physical and mechanical characteristics of a real spoil material. Three types of foundation systems were considered in the centrifuge tests: (1) raft foundation, (2) pile-group foundation, and (3) pile-raft foundation. The long-term cyclic loading of 87kN, 171kN and 460kN maximum cyclic load were used for the raft foundation. A higher cyclic load of 501kN was applied to the pile-group and pile-raft foundations. To evaluate the effect of climatic condition variations on spoil-foundation interactions, the centrifuge tests were carried out at different water table levels within the spoil material. The experimental results were analysed in terms of foundation rotation and foundation vertical settlement. The raft foundation rotated around 0.1-0.2 degrees and vertically displaced by 5-10 mm, whereas the pile-group rotated about 0.6-0.8 degrees and vertically displaced by 20-30 mm due to long-term cyclic loading. The pile-raft foundation displayed better response as compared to pile-group foundation

Modelowanie wirówkowe zboczy zwałowisk w ramach rekultywacji kopalni odkrywkowych w kierunku wodnym

Pit lakes are a common form of reclamation of areas where open pit mining activities have taken place. The development of these lakes often uses previous overburden materials, or “spoils”, that are readily available. Depending on the local geology, these spoil materials can contain large proportions of high-plasticity clays, which poses challenges in terms of the analysis and design of the sloped banks constructed to form new lakes. This paper describes a study in which geotechnical centrifuge modelling was used to investigate the stability and performance, in terms of accumulated displacements over cycles of lowering and raising the lake water elevation, of slopes constructed with a high-plasticity clay. A “replica-spoil” material was used in the tests to replicate key characteristics of spoil materials from known spoil heaps in Europe. The paper describes the centrifuge models and testing procedure developed for the tests, as well as the challenges encountered with the use of the high-plasticity clay. Two slope angles were tested: a 15° slope to match the typical slopes at a known field site, and a steeper 24° slope. Pore pressures within the slope were measured over several cycles of lake water elevation change. Slope displacements were measured using local transducers placed at the slope crest and toe, as well as using a PIV image analysis technique. The slopes were shown to experience plastic deformations, with displacements accumulating over subsequent cycles of lake water level change. The 24° slope developed slightly larger accumulated displacements than the 15° slope, though neither slope showed signs of ultimate collapse. Results from the centrifuge tests provide invaluable data which can be used for the verification of numerical models considering similar stability scenarios.Zbiorniki wodne są powszechną formą rekultywacji terenów, na których prowadzono wydobycie metodą odkrywkową. Do ich budowy często wykorzystuje się wcześniejsze materiały nadkładowe, czyli materiał zwałowy, który jest łatwo dostępny. W zależności od lokalnej geologii, materiał ten może zawierać duże ilości iłów o wysokiej plastyczności, co stanowi wyzwanie w zakresie analizy i projektowania nachylonych brzegów budowanych w celu utworzenia nowych zbiorników. W niniejszej pracy opisano badania, w których wykorzystano modelowanie w wirówce geotechnicznej do zbadania stabilności i zachowania, pod względem skumulowanych przemieszczeń w cyklach obniżania i podwyższania poziomu wody w zbiorniku, zboczy zbudowanych z iłów o wysokiej plastyczności. Aby odtworzyć kluczowe cechy materiałów zwałowych ze znanych hałd w Europie, w badaniach użyto materiału równoważnego. W artykule opisano modele wirówkowe i procedurę badawczą opracowaną na potrzeby badań, jak również wyzwania napotkane przy stosowaniu iłów o wysokiej plastyczności. Testowano dwa kąty nachylenia zbocza: 15°, aby pasowało do typowych zboczy w znanym miejscu w terenie, oraz bardziej strome nachylenie 24°. Ciśnienia porowe w obrębie zboczy były mierzone przez kilka cykli zmian poziomu wody w zbiorniku. Przemieszczenia zbocza były mierzone przy użyciu lokalnych przetworników umieszczonych na szczycie i u podnóża zbocza, jak również przy użyciu techniki analizy obrazów PIV. Wykazano, że zbocza ulegają deformacjom plastycznym, a przemieszczenia kumulują się w kolejnych cyklach zmian poziomu wody w zbiorniku. Zbocze o nachyleniu 24° rozwinęło nieco większe skumulowane przemieszczenia niż to o nachyleniu 15°, jednak żadne ze nich nie wykazywało oznak ostatecznego zawalenia. Wyniki badań wirówkowych dostarczają bezcennych danych, które mogą być wykorzystane do weryfikacji modeli numerycznych uwzględniających podobne scenariusze stateczności

Opracowanie zaawansowanego modelu konstytutywnego dla oddziaływań zwałowisko-konstrukcja budowlana

Revitalisation options for mine spoil heaps is an important issue to consider when planning for post-mining land use. One option is the installation of wind turbines on the spoil heaps, which provide a sustainable energy source. This option poses challenges for foundation design due to the nature of the spoil material, which is usually highly heterogeneous due to the way spoils are deposited, and can contain high proportions of high-plasticity cohesive soils (clay). This paper presents results obtained using an advanced constitutive model that was developed to simulate cohesive mine spoil behaviour and presents model results for the prediction of foundation response under both monotonic and cyclic loading. The model is a modified version of the original isotropic bounding surface plasticity model that additionally involves a damaged-based plastic modulus in order to realistically represent soil strength degradation induced by cyclic action. The model is used for the simulation of shallow foundations for onshore wind turbines on a cohesive clay with a heterogeneous (linearly increasing) undrained shear strength (random spatial variability is not considered). Two different loading scenarios of a shallow strip foundation are considered in the paper: a pure moment-vertical loading (M-V), and a moment-horizontal-vertical loading (M-H-V). The effect of the adopted spoil-foundation interface type is also considered: (1) a fully-bonded interface and (2) a tensionless interface. Results demonstrate that, though the vertical bearing capacity is only slightly affected by the interface properties, the moment capacity is shown to be strongly influenced by the predefined contact conditions. For the footing system under M-H-V loading, a dominant footing uplift mechanism is obtained for light structures and the opposite holds for heavily loaded structures, where significant settlement accumulation occurs during cyclic loading. Based on the analysis, the moment bearing capacity of the footing system decreases as the slenderness ratio and/or the vertical safety factor increase, and the opposite mechanism is obtained as the strength heterogeneity degree increases.Możliwości rewitalizacji zwałowisk są ważnym zagadnieniem przy planowaniu zagospodarowania terenów pogórniczych. Jedną z opcji jest instalacja na hałdach turbin wiatrowych, które stanowią zrównoważone źródło energii. Opcja ta stanowi wyzwanie dla projektowania fundamentów biorąc pod uwagę charakter materiału zwałowego, który ze względu na sposób deponowania jest zwykle wysoce niejednorodny i może zawierać dużo wysokoplastycznych gruntów spoistych (iłów). W artykule przedstawiono wyniki uzyskane przy użyciu zaawansowanego modelu konstytutywnego, który został opracowany w celu symulacji zachowania spoistego materiału zwałowego oraz zaprezentowano wyniki modelowania dla przewidywania reakcji fundamentu będącego zarówno pod obciążeniem monotonicznym jak i cyklicznym. Model jest zmodyfikowaną wersją oryginalnego izotropowego modelu plastyczności powierzchni granicznej, który dodatkowo zawiera moduł plastyczności oparty na zniszczeniu w celu realistycznego przedstawienia degradacji wytrzymałości gruntu wywołanej działaniem cyklicznym. Model jest wykorzystywany do symulacji płytkich fundamentów turbin wiatrowych na iłach spoistych o niejednorodnej (liniowo wzrastającej) wytrzymałości na ścinanie bez odpływu (nie uwzględniono losowej zmienności przestrzennej). W pracy rozpatrzono dwa różne scenariusze obciążenia płytkiej ławy fundamentowej: czyste obciążenia moment-pionowe (M-V) oraz obciążenia moment-poziome-pionowe (M-H-V). Rozważono również wpływ przyjętego rodzaju styku zwałowisko-fundament: (1) całkowicie związany oraz (2) beznaprężeniowy. Wyniki pokazują, że choć nośność pionowa tylko w niewielkim stopniu zależy od właściwości styku, to okazuje się, że nośność momentu jest silnie uzależniona od zdefiniowanych wcześniej warunków kontaktowych. Dla systemu stopy fundamentowej pod obciążeniem M-H-V, w przypadku lekkich konstrukcji uzyskuje się dominujący mechanizm unoszenia stopy, a w przypadku konstrukcji silnie obciążonych odwrotny, gdzie podczas cyklicznego obciążenia następuje znaczna akumulacja osiadań. Na podstawie przeprowadzonej analizy można stwierdzić, że nośność systemu stopy fundamentowej maleje wraz ze wzrostem współczynnika smukłości i/lub pionowego współczynnika bezpieczeństwa, a odwrotny mechanizm uzyskuje się wraz ze wzrostem stopnia niejednorodności wytrzymałości