Geological engineering and geophysical characterization of cohesive soils from Vistula river valley in Warsaw subjected to cyclic loads in the cross section along the Siekierkowska Street

W wyniku ciągłego wzrostu poziomu technologicznego, w tym komputerowych metod obliczeniowych ,pojawiły się możliwości stosowania w badaniach gruntów precyzyjniejszej aparatury pomiarowej i odwzorowania wyników badań nowymi dokładniejszymi modelami konstytutywnymi gruntu. Główną przeszkodą z którą zderzają się badacze jest duży rozrzut wyników deformacji gruntu, uwidaczniający się przy porównaniu wartości obliczonych metodami numerycznymi z pomierzonymi w trakcie trwania procesu budowlanego. Stosowanie bardziej wyrafinowanych modeli konstytutywnych wymaga większej ilości parametrów, których charakterystyki w większości przypadków są złożonymi funkcjami krzywoliniowymi zależności naprężenia i odkształcenia. W wielu przypadkach, badacze starają wybrać parametry modelu dające najlepsze dopasowanie do danych empirycznych w zakresie odkształcania 20%. Pomiary in situ odkształceń wielu konstrukcji pokazują, że odkształcenie gruntu współpracującego z konstrukcją rzadko przekracza 1%. Oczywistym jest fakt, że obciążenia dynamiczne wywołują różne poziomy odkształcenia gruntu, od bardzo małych (10 -6 , 10 -4 ), dla których przyjmuje się liniowe zależność konstytutywną, do bardzo dużych odkształceń (10 -2 do 10 -1 ), dla których występuje nieliniowa zależność naprężenia od odkształcenia. Zagadnienie dotyczące małych odkształceń jest znane od końca lat sześćdziesiątych. W tym okresie rozpoczęto szeroko zakrojone badania wpływu dynamicznego obciążenia na zależność naprężenie-odkształcenie gruntu. Podstawowymi właściwościami gruntu definiującymi zachowanie pod wpływem obciążeń dynamicznych są moduł ścinania i współczynnik tłumienia. Znaczenie modułu ścianania - Gmax w teście dynamicznego obciążania jest porównywalne do wytrzymałości na ścinanie w analizie statycznej. Moduł ścinania w zakresie małych odkształceń to podstawowa cecha odkształcalności gruntu ponadto odgrywa on kluczową rolę w analizie odpowiedzi gruntu na czynniki dynamiczne. Gmax jest jednym z najważniejszych parametrów dla inżynierii sejsmicznej, inżynierii ruchu, projektowania fundamentów dla maszyn, projektowania izolacji antywibracyjnej i analizy dynamicznej oddziaływania konstrukcji z gruntem. Niniejszą rozprawę można podzielić na trzy części. W części pierwszej zaprezentowano geologiczno-inżynierską i geofizyczną charakterystykę parametrów gruntu dla trzech poligonów badawczych. Poligony zlokalizowano w Warszawie wzdłuż Siekierkowskiej tak aby stanowiły reprezentację wysoczyzny polodowcowej (Kiedacza), plejstoceńskiego tarasu rzecznego (Stegny) i holoceńskiego tarasu rzecznego (Trasa Siekierkowska-Bluszczańska). Aby przeanalizować zakres drgań gruntu wywołanych ruchem kołowym wytypowano dwie dodatkowe lokalizacje: stacja metra Stare Bielany oraz Kościół Św Anny w pobliżu trasy WZ. Geofizyczną charakterystykę badanych gruntów oparto na wynikach badań otrzymanych z wykorzystaniem nowoczesnych technik badawczych takich jak: tomografia elektro-oporowa, georadar oraz system sejsmiki inżynierskiej CSWS. Głównym przedmiotem badań zaprezentowanych w drugiej części rozprawy jest zachowanie się gruntu pod wpływem obciążenia cyklicznego. Szczególny nacisk położono na identyfikację zależności modułu ścinania i współczynnika tłumienia od odkształceń postaciowych, na którą wpływ mają m. in.: wskaźnik plastyczności, historia naprężeń (OCR), skład granulometryczny i geneza gruntu. W tej części pracy zaprezentowano wyniki badań obrazujące wpływ częstotliwości cyklicznego obciążenia gruntu na degradację modułu ścinania dla trzech typów genetycznych gruntów. Badania ze stałą amplitudą naprężenia wykonano na próbkach glin lodowcowych, iłów i mad z wykorzystaniem dynamicznego aparatu trójosiowego. Degradacja modułu ścinania została z powodzeniem zamodelowana dla wszystkich badanych gruntów przy różnych częstotliwościach obciążenia z zakresu 5-15 Hz. Opracowany model porównano z powszechnie stosowanym modelem Ishibashi’ego i Zhang’a, który został zmodyfikowany, aby uwzględniał wpływ zmiany częstotliwości obciążenia. Rozprawa koncentruje się również na określeniu współczynnika tłumienia za pomocą badań laboratoryjnych i polowych. Przeprowadzone badania z wykorzystaniem stożka sejsmicznego w połączeniu z aparaturą CSWS pozwalają autorowi na opracowanie nowatorskiej techniki oceny współczynnika tłumienia metodą polową. Końcowa część pracy przedstawia rezultaty analiz i wnioski.As a result of the continuous increase in the technical level, including computer calculation methods, more precise measuring techniques and more accurate constitutive models of soil can be achieved. The main problem is a large scatter of results of ground deformation , which can be seen when comparing the calculated numerical methods deformation with the measured deformations during the construction process. The use of more sophisticated constitutive models requires a larger number of parameters, the characteristics of which in most cases are adopted by complicated curvilinear functions associated with a change of the stress and the deformation. In many cases, researchers try to choose the constitutive model parameters giving a best fit to the empirical data in the range of deformation of 20%. Deformations measurements of many in situ constructions shows that the soil mass interacting with the construction deforms in the range of deformations not exceeding 1%. It is also known that dynamic loads cause different levels of deformation in the ground from very small ( 10-6 to 10-4 ) , which is assumed linear constitutive relationships, to very large strain ( 10-2 to 10-1 ) , where non-linear stress-strain relationships can be adopted. The problem associated with the very small and small deformations is known from the end of the sixties. At that time, extensive research began on the influence of dynamic load on stress-strain behavior of the soil . The most important parameters affected the dynamic behavior of soil are shear modulus and dumping ratio. The importance of shear modulus Gmax in the dynamic loading is comparable to the shear strength parameter in stability analysis. Shear modulus for the range of small deformations is the basic characteristics of the soil deformability and plays a key role in the analysis of soil response to dynamic influences .Gmax is one of the most important parameters for seismic engineering , traffic engineering , design of foundations for vibrating machines , design of vibration isolation and analysis of dynamic soil - structure interaction. The dissertation consists of three main sections. In the first section full geological engineering and geophysical characteristics of soil parameters at different sites are presented. Three test sites in Warsaw along the Siekierkowska Street are chosen as a representation of postglacial upland (Kiedacza) Pleistocene river terrace (Stegny) and Holocen river terrace (Trasa Siekierkowska-Bluszczańska). Also two additional localizations are chosen for traffic induced soil vibrations measurements: Stare Bielany Subway Station and Saint Anne Church yard near East-West Route. For geophysical soil characterization some modern testing techniques like resistivity tomography, groundpenetrating radar or continuous surface waves system were used. The extensive soil testing campaigns offered the unique opportunity to evaluate and improve the methods on different soils. The main subject of investigations and research presented in the second section of the thesis comprises a cohesive soil response to a cyclic load. The importance of research in this area is related to identification of shear modulus and damping ratio-deformation characteristics affected by soil plasticity, stress history (OCR), , grain size distribution and soil genesis. A study of the effect of the load frequency on the cyclic shear modulus degradation of this three genetic types of soil is also presented in the second part. The research is based on a series of stress controlled cyclic triaxial shear tests conducted on samples of glacial till, clay and alluvial soils. The modulus degradation with shear strain is successfully modeled for different frequencies of range 5-15Hz and a presented types of cohesive soils. The developed model is compared with the most common model by Ishibashi&Zhang which finally is improved to work as frequency dependent model. This thesis also focuses on the determination of the damping ratio by means of laboratory and field tests. Therefore extended interpretation techniques for the seismic cone penetration test SCPT which is an extension of the cone penetration test are studied and evaluated. The SCPT test is a substantial part of this exploration to measure the shear wave velocity and the damping ratio. The final section of the study presents the results of the analysis and conclusions drawn

Propozycja wykorzystania wysokorozdzielczej mikrotomografii komputerowej do analizy gruntu spoistego w badaniach pełzania

W artykule przedstawiono wyniki badań z wykorzystaniem wysokorozdzielczej mikrotomografii komputerowej (μCT) zastosowanej w celu uzyskania obrazu struktury wewnętrznej gruntu. Wyniki prześwietlań μCT zostały wykorzystane do selekcji miarodajnych próbek do badań, a także do oceny zmian struktury w analizie pełzania gruntu podczas badań trójosiowych. Badania przeprowadzono na pastach gruntowych wykonanych z iłów mio-polioceńskich pobranych z Warszawy oraz próbkach NNS mioceńskiego iłołupka pochodzącego z zapadliska przedkarpackiego. Pierwszą serię badań przeprowadzono na iłowych pastach gruntowych, a następnie na iłołupkach, prowadząc standardowe badania typu CU z określeniem maksymalnych parametrów wytrzymałościowych oraz naprężeń niszczących wykorzystywanych w późniejszych badaniach pełzania. W kolejnym etapie badań, z wykorzystaniem próbek wstępnie przebadanych w mikrotomografie, przeprowadzono badania pełzania gruntu w aparacie trójosiowego ściskania przy naprężeniach osiowych nieprzekraczających maksymalnej wartości dewiatora naprężenia. Na podstawie uzyskanych obrazów struktury wewnętrznej gruntu określono typy zniszczeń w poszczególnych próbkach oraz obliczono zawartość szczelin naturalnych i pozniszczeniowych. Dodatkowo uzyskano trójwymiarowe modele próbek, które można wykorzystać do dalszych symulacji badań laboratoryjnych. Obrazy 2D i 3D wewnętrznej struktury gruntów spoistych stwarzają nowe możliwości w poznawaniu procesów zmian właściwości gruntów

The Influences of Local Glacitectonic Disturbance on Overconsolidated Clays for Upland Slope Stability Conditions: A Case Study

Reliability of equilibrium state evaluation about settlement slopes in the context of natural and human-made hazards is a complex issue. The geological structure of the vicinity of the upland slope in the urban environment of Warsaw is characterised by a significant spatial diversification of the layers. This is especially due to the glacitectonics in the Mio-Pliocene clays, which are located shallowly under the sandy tills’ formations. With substantial variability in the clay roof surface, point recognition by drilling is often insufficient. The use of electrical resistivity imaging (ERI) in the quasi-3D variant provides accurate images of the real ground conditions, which is crucial in optimal geotechnical design. In forecasting the behaviour of the slope, it is necessary to quantify the impact of spatially differentiated systems of disturbed layers on changes in the safety factor (SF), which corresponds to the observed landslide activity of the Warsaw Slope. This study concerns numerous calculation model analyses of the optional clay position in the context of slope stability conditions. A wide range of soil properties variability was taken into account, resulting from both lithogenesis and subsequent processes disintegrating the original soil structure. Regarding the geological conditions of the slip surface, the use of classical computational methods and numerical modelling (FEM) was considered for comparative purposes. The results indicated that local changes in equilibrium conditions were affected by the different morphology of the clay roof surface of the slope and the alternation in strength characteristics on the slip surfaces. The findings of the study contribute to sustainable spatial planning of near-slope regions

Effects of hydrocarbon contamination on the engineering geological properties of Neogene clays and Pleistocene glacial tills from Central Poland

Petroleum products influence the engineering behaviour of the soil. Neogene clays and glacial tills from Central Poland were tested under laboratory conditions to evaluate the changes of selected physical and mechanical parameters: particle size distribution, particle density, swelling, shear strength and permeability. Four petroleum products were used in the experiments: diesel fuel, kerosene, jet fuel and mineral engine oil. The study revealed that even for the lowest degree of contamination the values of physical and mechanical properties of the soils changed significantly. Greater variation can be expected in soils contaminated with high-viscosity compounds. Also, higher relative changes were found for glacial tills than for Neogene clays. Consolidation tests revealed changes in soil permeability depending on the soil composition and the physical properties of the contaminant – considerable reduction of permeability was observed for glacial tills contaminated with light Jet fuel, while the reduction was lower for Neogene clays. The obtained results indicate the role of mesopores and the dimensionless pore pressure coefficient in changes of soil permeability. The methodological issues regarding testing and analysing the hydrocarbon-contaminated soils were also presented and discussed, which might be useful for researchers studying contaminated soils