Magazine of the Korean Society of Agricultural Engineers
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v.40
no.1
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pp.96-105
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1998
Soil properties, drain conditions and numerical analysis technique have great influence upon consolidation behavior. In relevant to the above described fact, this paper aims to examining the applicability of prediction model of consolidation as well as deformation characteristics for soft clayey foundation improved by sand drain. A case study for actual foundation of Kwangyang steel works was performed. Single drain consolidation model proposed by Hansbo and Biot's consolidation theory coupled with modified Cam-clay model developed during the research were employed for the FEM numerical analysis of the foundation. Both smear effect and drain capacity were taken into account for the analysis. Finally the applicability of the newly developed technique to the behavior of foundation composed of soft clay proved satisfactory.
This paper presents the results of a numerical investigation on the load carrying capacity and consolidation behavior of suction piles. Three dimensional numerical models which reflect realistic ground conditions and installation procedures including the ground-suction pile interface were adopted to conduct a parametric study on variables such as the length-diameter ratio and the loading configurations, i.e, vertical, horizontal, and combined loads. The results indicated that the load carrying capacity of a suction pile can only be realistically obtained when the interface behavior between the suction pile and the ground is correctly modeled. Also carried out was the stress-pore pressure coupled analysis to investigate the consolidation behavior of the suction pile after the application of a vertical loading. Based on the results, failure envelops and associated equations were developed, which can be used to estimate load carrying capacity of suction piles installed in similar conditions considered in this study. The results of consolidation analysis based on the stress-pore pressure coupled analysis indicate that no significant excess pore pressure and associated consolidation settlement occur for the loading configuration considered in part due to the load transfer mechanism of the suction pile.
In the present work, a number of advanced three-dimensional (3D) parametric finite element numerical analyses have been conducted to study the behaviour of single piles and pile groups in consolidating ground from coupled consolidation analyses. Single piles, $4{\times}4$ and $6{\times}6$ piles inside groups with a spacing of 2.5D were considered, where D is the pile diameter. It has been found that dragload and downdrag on the piles developed rather quickly at the early stage of consolidation. However, when the degree of consolidation was more than 50~75%, only little increases of dragload and downdrag were induced on the pile. Negative Skin Friction (NSF) on the pile in the fill layer was mobilised quickly and remained constant throughout further consolidation. The development of NSF is influenced both by the relative shear displacements at the pile-soil interface and the vertical effective soil stresses during consolidation. The former governed the early stage of consolidation and the latter affected the later stage of consolidation. The vertical effective soil stresses adjacent to the piles were reduced due to the shear stress transfer at the pile-soil interface, in particular for piles inside the pile groups. The range of NSF influence zone concerning the reductions of the effective vertical soil stresses was about 20D measured from the piles in the horizontal direction. On the contrary, the effective horizontal soil stresses acting on the piles were similar to those at the far field.
The total embankment settlement consists of three stages: the initial settlement, the primary consolidation settlement, and the secondary consolidation settlement. The total embankment settlement is largely controlled by the primary consolidation settlement, which is usually computed with numerical models that implement Biot's theory of consolidation. The key parameter that affects the primary consolidation time is the coefficient of permeability. Due to the complex stress and strain states in the foundation soil under the embankment, to be able to predict the consolidation time more precisely, aside from porosity-dependency, the strain-dependency of the coefficient of permeability should be also taken into account in numerical analyses. In this paper, we propose a two-dimensional plane strain numerical model of embankment primary consolidation, which implements Biot's theory of consolidation with both porosity-dependent and strain-dependent coefficient of permeability. We perform several numerical simulations. First, we demonstrate the influence of the strain-dependent coefficient of permeability on the computed results. Next, we validate our numerical model by comparing computed results against in-situ measurements for two road embankments: one near the city of Saga, and the other near the city of Boston. Finally, we give our concluding remarks.
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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2009.09a
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pp.3-26
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2009
Superloading yield surface concept is newly introduced together with subloading yield surface conception in order to describe full gradation continuously of the mechanical behavior of soils from typical sand through intermediate soil to typical clay (All Soils). Finite deformation theory has been applied to the soil skeleton-pore water coupled continuum mechanics, which enables us to discuss things in a perpetual stream from stable state to unstable state like from deformation to failure and vice versa like from liquefaction to post liquefaction consolidation of sand (All States). Incremental form of the equation of motion has been employed in the continuum mechanics in order to incorporate a rate type constitutive equation, which is "All Round" enough to predict ground behavior under both static and dynamic conditions. The present paper is the shortened version of the lecture note delivered in 2008 Theoretical and Applied Mechanics Conference, Science Council Japan, but with newly developed application examples.
Kim, Tae-Hoon;Han, Tae-Gon;Yoo, Ki-Cheong;Lee, Song
Journal of the Korean Geotechnical Society
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v.20
no.6
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pp.61-73
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2004
The coefficient of permeability of natural clay shows a nonlinear property which is related to various stress level of soils, and this nonlinear property has effect on the period of consolidation and the property of deformation in clay soils under loading. Thus, in this paper the numerical analysis was conducted by FEM-using coupled theory which incorporated Biot's consolidation theory into modified Cam-clay model- to consider the effects of nonlinear permeability on the behavior of clay soils under loading. The result of this paper showed that nonlinear permeability had different effects on the deformation and excess pore water pressure in clay soils according to the change of ratios of coefficients of permeability which was presented a degree of nonlinear property, and average coefficients of permeability of soils. Therefore, it was concluded that nonlinear permeability should be considered according to both the change of ratios of coefficients of permeability and average coefficients of permeability to conduct more simultaneous analyses to field conditions.
The paper presents a comparison between a semi-implicit time integration linear finite element implementation and fully-implicit nonlinear Newton-Raphson finite element implementation of a triphasic small strain mixture formulation of an elastic partially saturated porous medium. The pore air phase pressure pa is assumed atmospheric, i.e., $p_a$ = 0, although the formulation and implementation are general to handle increase in pore air pressure as a result of loading, if needed. The solid skeleton phase is assumed linear isotropic elastic and partially saturated 'consolidation' in the presence of surface infiltration and traction is simulated. The verification of the implementation against an analytical solution for partially saturated pore water flow (no deformation) and comparison between the two implementations is presented and the important of the porosity-dependent nature of the partially saturated permeability is assessed on comparison with a commercial code for the partially saturated flow with deformation. As a result, the response of partially saturated permeability subjected to the porosity influences on the saturation of a soil, and the different behaviors of the partially saturated soil between staggered and monolithic coupled programs is worth of attention because the negative pore water pressure in the partially saturated soil depends on the difference.
Laboratory and field data showed that deep mixed (DM) columns accelerated the rate of consolidation of the soft foundations. Most analyses of consolidation of DM column-improved foundations so far have been based on the elastic theory. In reality, the DM columns may yield due to the stress concentration from the soft soil and its limited strength. The influence of column yielding on the degree of consolidation of the soft foundation improved by DM columns has not been well investigated. A three-dimensional mechanically and hydraulically-coupled numerical method was adopted in this study to investigate the degree of consolidation of the DM column foundation considering column yielding. A unit cell model was used, in which the soil was modeled as a linearly elastic material. For a comparison purpose, the DM column was modeled as an elastic or elastic-plastic material. This study examined the aspects of stress transfer, settlement, and degree of consolidation of the foundations without or with the consideration of the yielding of the DM column. A parametric study was conducted to investigate the influence of the column yielding on the stress concentration ratio, settlement, and average degree of consolidation of the DM column foundation. The stress concentration ratio increased and then decreased to reach a constant value with the increase of the column modulus and time. A simplified method was proposed to calculate the maximum stress concentration ratios under undrained and drained conditions considering the column yielding. The simplified method based on a composite foundation concept could conservatively estimate the consolidation settlement. An increase of the column modulus, area replacement ratio, and/or column permeability increased the rate of consolidation.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.23
no.6
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pp.703-714
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2010
This paper proposes an approach for staged finite element modeling with coupled seepage and stress analysis. The stage modeling is based on the predefined inter-relationship between the base model and the unit stage models. A unit stage constitutes a complete finite element model, of which the geometries and attributes are subject to changes from stage to stage. The seepage analysis precedes the mechanical stress analysis at every stage. Division of the wet and dry zone and the pore pressures are evaluated from the seepage analysis and used in determining input data for the stress analysis. The results of the stress analysis may also be associated with the pore water pressures. For consolidation analysis, the pore pressure and the displacement variables are mixed in a coupled matrix equation. The time marching solution produces the dissipation of excess pore pressure and variation of stresses with passage of time. For undrained analysis, the excess pore pressures are computed from the stress increment due to loading applied in the unit stage and are used in revising the hydraulic head. The solution results of a unit stage are inherited and accumulated to the subsequent stages through the relationship of the base model and the individual unit stages. Implementation of the proposed approach is outlined on the basis of the core procedures, and numerical examples are presented for demonstration of its application.
Journal of The Korean Society of Agricultural Engineers
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v.54
no.3
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pp.55-63
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2012
Soil properties are not random values which is represented by mean and standard deviation but show spatial correlation. Especially, soils are highly variable in their properties and rarely homogeneous. Thus, the accuracy and reliability of probabilistic analysis results is decreased when using only one random variable as design parameter. In this paper, to consider spatial variability of soil property, one-dimensional random fields of coefficient of consolidation ($C_v$) were generated based on a Karhunen-Loeve expansion. A Latin hypercube Monte Calro simulation coupled with finite difference method for Terzaghi's one dimensional consolidation theory was then used to probabilistic analysis. The results show that the failure probability is smaller when consider spatial variability of $C_v$ than not considered and the failure probability increased when the autocorrelation distance increased. Thus, the uncertainty of soil can be overestimated when spatial variability of soil property is not considered, and therefore, to perform a more accurate probabilistic analysis, spatial variability of soil property needed to be considered.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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