The uncertainties encountered in the stability analysis for the foundation of offshore structures on clay are formulated in probabilistic terms and used to evaluate the reliability of the foundation design. The major sources of uncertainty are: soil properties, f.ave loads, and methods of analysis. The major part of the uncertainty in safety factor is contributed by the uncertainty in the undrained shear strength. All sources of uncertainties that affect the shear strength of clay are modeled and systematically analyzed. The in situ undrained shear strengths are evaluated by laboratory tests and cone penetration tests. The undrained shear strengths from the laboratory test and CPT, respectively at Statfjord B site in the North Sea, are used as an example in risk analysis. Using the CPT alone, the failure probability on sliding of gravity platform at Statfjord B is much larger than the failure probability using the laboratory undrained shear strengths. The major uncertainty of using the CPT as the estimate of th2 undrained shear strength of clay results from the correlation between the cone resistance and the undrained shear strength.
The undrained shear strength is widely acknowledged as a fundamental mechanical property of soil and is considered a critical engineering parameter. In recent years, researchers have employed various methodologies to evaluate the shear strength of soil under undrained conditions. These methods encompass both numerical analyses and empirical techniques, such as the cone penetration test (CPT), to gain insights into the properties and behavior of soil. However, several of these methods rely on correlation assumptions, which can lead to inconsistent accuracy and precision. The study involved the development of innovative methods using extreme gradient boosting (XGB) to predict the pile set-up component "A" based on two distinct data sets. The first data set includes average modified cone point bearing capacity (qt), average wall friction (fs), and effective vertical stress (σvo), while the second data set comprises plasticity index (PI), soil undrained shear cohesion (Su), and the over consolidation ratio (OCR). These data sets were utilized to develop XGBoost-based methods for predicting the pile set-up component "A". To optimize the internal hyperparameters of the XGBoost model, four optimization algorithms were employed: Particle Swarm Optimization (PSO), Social Spider Optimization (SSO), Arithmetic Optimization Algorithm (AOA), and Sine Cosine Optimization Algorithm (SCOA). The results from the first data set indicate that the XGBoost model optimized using the Arithmetic Optimization Algorithm (XGB - AOA) achieved the highest accuracy, with R2 values of 0.9962 for the training part and 0.9807 for the testing part. The performance of the developed models was further evaluated using the RMSE, MAE, and VAF indices. The results revealed that the XGBoost model optimized using XGBoost - AOA outperformed other models in terms of accuracy, with RMSE, MAE, and VAF values of 0.0078, 0.0015, and 99.6189 for the training part and 0.0141, 0.0112, and 98.0394 for the testing part, respectively. These findings suggest that XGBoost - AOA is the most accurate model for predicting the pile set-up component.
To study the carrying capacity behavior of pile, dynamic pile testis and static load tests were carried out on two instrumented piles during and some time after pile driving. Cone Penetration Test( CPT) and Standard Penetration Test(SPT) were also performed at the test site before pile tests to investigate the relationship between unit skin friction of piles and cone tip resistance values and SPT N values. Total static capacity of pile reached the ultimate stage at the pile head settlement of about 0.055D (D : Pile diameter), at which skin friction of Pile already Passed the maximum value, but the end bearing was still increasing with the pile head settlement. The carrying capacity of pile increased in the form of natural logarithmic function with the time after pile driving. The increase in skin friction with time was very substantial the increase in skin friction 40 days after pile driving was 4.6 times of that determined during pile driving. The contribution of skin friction to the total capacity twas insignificant in the beginning, but became substantial 40 days after pile driving. This implies that the tested pile initially responded as an end bearing pile and later behaved as a friction pile. It was also noted that unit skin friction of pile might be ielated to cone tip resistance values(q.) and SPT N values, though the coefficient of this relationship might differ from one soil group to another and was somewhat greater than the value used in the design practice of Korea.
Stress history increases the residual horizontal stress of granular soil and, consequently, the penetration resistance. This study analyzes the effect of stress history on the cone resistance ($q_c$), horizontal stress index ($K_D$) and dilatometer modulus ($E_D$) of CPT and DMT from calibration chamber specimen in OC as well as NC state. Test results show that the normalized cone resistance by mean effective stress correlates well with the relative density and the state parameter, whereas the normalized cone resistance by vertical effective stress is a little affected by stress history. The influence of stress history is more reflected on $K_D$ than $E_D$ and $q_c$. The $K_D/K_0$, in which the effect of stress history on $K_D$ is compensated by the at-rest coefficient of earth pressure, $K_0$, is related to relative density, state parameter and the normalized cone resistance by mean effective stress. It is also observed that the normalized dilatometer modulus by mean effective stress ($E_D/{\sigma}_m'$) shows a unique correlation with the state parameter, regardless of stress history.
The internal structure of a river embankment must be delineated as part of investigations to evaluate its safety. Geophysical methods can be most effective means for that purpose, if they are used together with geotechnical methods such as the cone penetration test (CPT) and drilling. Since the dyke body and subsoil in general consist of material with a wide range of grain size, the properties and stratification of the soil must be accurately estimated to predict the mechanical stability and water infiltration in the river embankment. The strength and water content of the levee soil are also parameters required for such prediction. These parameters are usually estimated from CPT data, drilled core samples and laboratory tests. In this study we attempt to utilise geophysical data to estimate these parameters more effectively for very long river embankments. S-wave velocity and resistivity of the levee soils obtained with geophysical surveys are used to classify the soils. The classification is based on a physical soil model, called the unconsolidated sand model. Using this model, a soil profile along the river embankment is constructed from S-wave velocity and resistivity profiles. The soil profile thus obtained has been verified by geotechnical logs, which proves its usefulness for investigation of a river embankment.
Kim, Raehyun;Lee, Woojin;Yoon, Hyung-Koo;Lee, Jong-Sub
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.29
no.4C
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pp.163-174
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2009
Mechanical device using the load cell or strain gage sensor can be influenced by tempearute changes because temperature change can cause a shift in the load cell or straing gage output at zero loading. In this paper, micro cone penetrometers with 1~7mm in diameter, are developed by using an optical fiber sensor (FBG: Fiber Bragg Grating) to compensate the continous temperature change during cone penetration test. Note the temperature compensated method using optical fiber sensor which has hair-size in diameter, and is not affected by environmental conditions because the measured data is the wavelength shifting of the light instead of the intensity of the electric voltage. Temperature effect test shows that the output voltage of strain gage changes and increases with an increase in the temperature. A developed FBG cone penetrometer, however, achieves excellent temperature compensation during penetration, and produces continuous change of underground temperature. In addition, the temperature compensated FBG cone shows the excellent sensitivity and detects the interface of the layered soils with higher resolution. This study demonstrates that the fiber optic sensor renders the possibility of the ultra small size cone and the new fiber optic cone may produce more reliable temperature compensated tip resistance.
The Jeju sand was sampled from the beach in Jeju Island and its basic properties were analyzed. The cementation effect of Jeju coastal sediments was evaluated from in-situ tests such as SPT, CPT, and the Suspension-PS test. It was shown from test results that the Jeju sand has high extreme void ratios due to the angularity of grains and the intra-particle voids of hollow particles, similar to typical calcareous sands. From cone penetration test in the calibration chamber, it was found that the cone resistance($q_c$)-relative density($D_R$)-vertical effective stress(${\sigma}_v'$) relation of Jeju sand almost matches that of high compressible quartz sand. However, the $q_C-D_R-{\sigma}_v'$ correlation suggested for uncemented Jeju sand overestimates the relative density of coastal sediments of Jeju Island due to the cementation effect. From the analysis of the relation of cone resistance, N value, and small strain shear modulus measured in-situ, it seems reasonable to assume that the coastal sediment of Jeju Island is a naturally cemented one.
To investigate the applicability of physical prospecting technique in soft ground assessment, the resistivity monitoring data of 6 months are acquired. The Multichannel Analysis Surface Wave (MASW) has been additionally performed to identify the shear wave velocity and strength distribution of soft ground. Moreover, by using the Cone Penetration Test (CPT) and laboratory tests of drilling samples, a relationship with the physical prospect data is checked and the reliability of the physical prospect data is increased. Through these activities, the behavior patterns of soft soil are identified by long term monitoring, and the significant relationship between the shear wave velocity and laboratory tests has been confirmed, both of which can be useful in the surface wave exploration to evaluate the strength of soft ground. Finally, using the geostatistical method, 3-dimensional soil base distribution images are obtained about the combined physical prospecting data with heterogeneous data. Through the studies, the nature of entire area can be determined by long term resistivity monitoring for the soft ground assessment in wider area. It would be more economic and reliable if additional exploring and drilling samples can be analyzed, which can reinforce the assessment.
Electric resistivity monitoring was applied to evaluate the soft ground in reclaimed land in order to figure out the applicability of physical prospecting. For this, electrical resistivity monitoring data were acquired for total three months and analyzed those data with independent inversion, time-lapse inversion, and 4D inversion methods. The result was compared for various inversion methods so as to figure out what showed the soft soil most properly. Moreover, drilling and CPT(Cone Penetration Test) data were also used in order to find out if each of those inversion methods could distinguish either bed rock or the soft soil clearly. And according to the result, time-lapse inversion showed less inversion artifacts than independent inversion, so it could indicate the soft soil better. If data gained for a longer period than three months are used, 4D inversion has been found to be a more efficient analysis method than the time-lapse inversion method. Electrical resistivity monitoring on the soft soil has been found to be a useful method that can analyze the spatio-temporal electric state of the ground serially.
Back analysis has been used to evaluate the factor of safety and circular failure plane at the landfill failure site. However, the estimated circular failure plane by back analysis is quite different from what is observed in the field. Thus, this study was conducted to estimate an actual shear failure plane inside the ground which gives a more accurate failure plane. Cone penetration test (CPT), boring test, soft X-ray image scan, density logging, and ultrasonic logging were conducted at the field and laboratory. The result of CPT showed significantly lower cone resistance, pore pressure, and undrained shear strength at a particular part. This part is a possible shear failure plane inside the ground. To validate, the soft X-ray scan images were analyzed and found the disturbed (inclined) bedding plane induced by shear activity at the estimated shear failure plane. Density and ultrasonic logging tests also found a similar result. Thus, the method in this study is possible to estimate the shear failure plane inside the ground.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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