Settlement calculation for lime/cement column improved clay : Analytical and numerical analyses related to a case study

The dry deep mixing method is widely used to improve a soft clay soil to increase the shear strength as well as to reduce the time for consolidation. It is a mechanical mixing process that makes parts of the soil stiffer than its original strength. It is mainly applicable to soft clay or peat soil. In this master thesis, the objective was set to perform a comparative analysis on the prediction of the settlements of a clay soil improved by lime/cement columns (LCC). The theoretical settlement predictions were made using two analytical and numerical modeling. A case study was carried out on a part of Stockholm bypass project where LCC was applied to improve soft clay for a foundation of a concrete trough. Field measurements of the vertical deformation of the improved soil were performed using settlement plates to compare the analytical and numerical results. The first analytical method was performed based on the recommendation of TK Geo 13 (2013) while the second method was performed based on the concept of a composite ground. In the case of the numerical method, FEA was performed using 2D plane strain model in Plaxis simulation. The performance of the geometry and combined matching models were investigated to convert the axisymmetric to plane strain model. The variation in stiffness of the columns were taken into consideration by applying two stiffness values 30 and 33 MPa for the upper and lower half of the column respectively. A preload of 58 kPa was applied on the improved clay soil to simulate the time-dependent consolidation settlement due to the stress addition. A comparison was carried out between the results obtained from the analysis and a field measurement. The two analytical methods produced a better agreement with the field measurement regarding long-term consolidation settlement and a reasonable agreement concerning the rate of consolidation. The numerical analysis showed a good agreement with the benchmark concerning both the long-term consolidation settlement as well as the rate of consolidation. The geometry matching model gave a reasonable result regarding correctness of the result compared with the combined matching. Based on the results obtained in this study, the numerical methods had a better agreement with the measurements.Jordförstärkning med kalkcementpelare är en vanlig metod för förstärkning av lösa jordar genom ökning av den blandade jordens hållfasthet samt minskning av konsolideringstiden. Metoden är en mekanisk process som ökar jordens styvhet och är främst tillämpbar i lös leror men även organiska jordar. Detta examensarbete har syftat till att jämföra sättningsberäkningar i lera som är förstärk med KC-pelare. De teoretiska beräkningarna har utförts genom två analytiska modeller samt numerisk modellering. En fallstudie har utförts på del av Förbifart Stockholm där jordförstärkning av lös lera med KC-pelare har använts inför grundläggning av ett betongtråg. Resultat från fältmätningar av installerade markpeglar har jämförts med resultat från de teoretiska sättningsberäkningarna. Den första beräkningsmetoden utfördes i enlighet med rekommendationer från TK Geo 13 (2013) och den andra metoden är baserad på principer för kompositjordar. Den numeriska beräkningen har utgjorts av FEM-modellering i 2D i programmet Plaxis. För att anpassa en plan-töjningsmodell till en axialsymmetrisk modell har inverkan av geometrin samt kombinerad anpassning av modell studerats. Hänsyn har tagits till KC-pelarnas styvhet genom att använda två olika värden (30 resp. 33 MPa) för KC-pelarnas övre respektive undre del. En överlast om 58 kPa applicerades på KC-pelarförstärkt området för att påskynda den tidsberoende konsolideringssättningarnas förlopp som orsakas av överlastens tillskottspänningar. Baserat på resultat från uppmätta sättningar jämfört med beräkningar, har följande slutsatser dragits. Jämförelser mellan resultaten har visat på en rimlig överrensstämmelse mellan de två analytiska metoderna och utförda fältmätningar avseende långtids konsolideringssättningar. Den numeriska beräkningen har visat en god överensstämmelse med fältmätningar med hänsyn till både konsolideringssättningar och konsolideringsgraden. Den geometriskt anpassade modellen visade ett rimligare resultat i förhållande till den kombinerade anpassade modellen. Sammanfattningsvis bedöms det att den numeriska modelleringen stämmer bättre överens med resultaten från uppmätta sättningar i förhållande till analytiska beräkningar