Modelling mechanical behaviour of Petikko clay

This thesis investigated long-term displacements and stability of an unstable embankment on road 50 located in Petikko, Vantaa. Several damages have developed on the pavement during past 30 years which have been deduced caused by mechanical behaviour of Petikko clay beneath and next to the embankment. Additionally, established inclinometers yield considerable horizontal deformations. Horizontal displacements of 1 to 26 millimetres a year has been observed on automatic inclinometer on the clay supporting the embankment. On the other hand, a fairly constant displacement rate of 1 to 3 millimetres a year has been detected on a manual inclinometer assembled in the fill. The damages on the pavement and the displacement rate are indicating issue related to the rheology of clay. This thesis had two objectives. The main object was to estimate the safety level of embankment and assess the requirement for the improvement of the embankment. The secondary object was to review the origin of the displacements and the damages. The origin was resolved by estimating the maximum displacements from rheology of clay. The estimated displacements were compared to measured displacements and to the observed displacements. Additionally, the stability of the embankment was evaluated. Based on the estimated displacements and the stability analyses the safety level and the necessity for the improvement of the embankment were assessed. On this thesis the fine-grained sediments of Petikko were characterised based on the results of in-situ testing and undisturbed sampling followed by formation of the rheological functions of the clay. The rheological functions were reformed into the constitutive models of the finite element program PLAXIS 2D. Several numerical simulations were performed with elasto-viscoplastic models to assess the displacements of the fill and the damages on the road. Additionally, a slip surface analysis was performed. The estimations yield convincing results that damages on the pavements are induced by the rheological behaviour of the clay. A horizontal creep rate was calculated to be 0.16 - 0.2 mm a year. A total factor of safety was estimated to be 1.68 from FEM calculations for the failure of the embankment. Additionally, a total factor of 1.92 was obtained from slip surface method. The high level of safety and the average level of earth pressure mobilization indicate creep will not progress into failure. The calculated and extrapolated observed displacement rate is expected to be fairly constant during following 10 years. There seems to be no necessity for additional supporting of the road. Due to the underestimated creep additional measurement period of 5 years is proposed including measurements twice a year. If the displacement builds exponentially beneath 2.5 metres actions are to be considered.Tässä työssä tutkittiin Vantaan Petikossa sijaitsevan kantatien 50 alla olevan osittain epäonnistuneen pengertämällä tehdyn massanvaihdon pysyvyyttä ja pitkän aikavälin siirtymiä. Kantatiellä on tällä kohdin havaittu huomattavia sivusiirtymiä. Massanvaihtotäytössä on mitattu manuaali-inklinometrillä 1-3 millimetrin sivusiirtymiä vuodessa. Massanvaihtoa sivusuunnassa tukevassa savessa on mitattu automaatti-inklinometrillä 1-26 millimetrin sivusiirtymiä vuodessa. Lisäksi kantatiellä on havaittu painuma- ja pituushalkeama. Tievauriot ja sivusiirtymänopeus indikoivat massanvaihdon työntyvän hitaasti pehmeikölle. Tutkimus keskittyi oletettavaan siirtymiä aiheuttavaan ilmiöön eli saven mekaaniseen käyttäytymiseen pehmeiköllä. Tutkimuksella oli kaksi tavoitetta. Ensisijaisena tavoitteena oli muodostaa käsitys saven nykyisestä mekaanisesta tilasta ja edelleen tiepenkereen korjaustoimenpidetarpeesta. Toissijaisena tavoitteena oli todentaa siirtymiä aiheuttava ilmiö. Tutkimuskohteessa tehtiin siirtymäarvioita oletetun ilmiön todentamiseksi. Siirtymäarvioita verrattiin mitattuihin ympäristön siirtymiin ja silmämääräisiin vauriohavaintoihin. Lisäksi tarkasteltiin massanvaihdon ja tien pysyvyyttä. Siirtymäarvion ja pysyvyystarkastelujen avulla pyrittiin muodostamaan 1ciisitys massanvaihdon nykyisestä tilasta ja korjaustoimenpidetarpeesta. Massanvaihtoa tukevat hienorakeiset sedimentit luokiteltiin ensin kairausten ja häiriintymättömien näytteenottojen perusteella. Tämän jälkeen sedimenteille muodostettiin reologinen kuvaus koestamisen tuloksista. Reologiset kuvaukset sovitettiin edelleen mekaanisiin malleihin PLAXIS 2D-elementtimenetelmaohjelmassa. Ohjelmassa savelle käytettiin kimmoviskoplastisia malleja. Elementtimenetelmällä tehtiin siirtymäarvioita. Elementti- ja liukupintamenetelmällä arvioitiin massanvaihdon pysyvyyttä. Siirtymäarvioiden mukaan havaitut tievauriot johtuvat saven mekaanisesta käyttäytymisestä. Laskennalliselle massanvaihdon sivusiirtymänopeudelle saven virumasta saatiin 0,16-0,20 mm/vuosi nykytilassa. Varmuusluvuksi sortumaa vastaan määritettiin elementtimenetelmällä arvo 1,68 ja liukupintalaskelmal1a arvo 1,92. Huomattava varmuus indikoi, ettei saven viruma muodosta tiepenkereen sortumaa. Tätä tulkintaa tukevat sekä laskennallinen arvio että mittaushavainnot, joiden perusteella sivusiirtymänopeus on seuraavan 10 vuoden ajalla lähes vakio. Tiepenkereen korjaustoimenpidetarvetta ei katsota muodostuvan saven mekaanisesta käyttäytymisestä johtuen. Lyhyestä mittausjaksosta sekä laskennallista suuremmasta sivusiirtymänopeudesta johtuen manuaali-inklinometrimittausta suositellaan jatkettavaksi ainakin viiden vuoden ajan. Mikäli sivusiirtymä 2,5 metrin syvyydellä tai tätä syvemmällä kasvaa eksponentiaalisesti, katsotaan sortumariskin ja toimenpidetarpeen muodostuvan saven mekaanisesta käyttäytymisestä