Model of interaction between geosynthetic strip and unbound soil in reinforced earth structures : doctoral thesis

Poznavanje mehanizma interakcije između tla i elemenata armature ključno je za projektiranje konstrukcija od armiranog tla, a ovisi o vrsti armaturnih elementa i tlu koje se koristi. U većini dosadašnjih istraživanja proučavan je mehanizam interakcije između metalnih traka ili mreža, te geosintetičkih mreža ili geotekstila i tla, dok je mali broj ispitivanja proveden za određivanje mehanizma interakcije geosintetičkih traka i tla. U istraživanjima koja su provedena za određivanje mehanizma interakcije geosintetičkih traka i tla, ispitivanja su provedena za slučajeve kada je kao materijal ispune korišten pijesak ili rjeđe šljunak, dok za ispitivanja kada se kao materijal ispune koristio lomljeni kamen ne postoje dostupni podaci u literaturi. Kako je u Hrvatskoj u izgradnji dva visoka zida od armiranog tla (Strikići i Sv. Trojica) korišten upravo lomljeni kamen i geosintetičke armaturne trake pojavila se potreba za proučavanjem mehanizma interakcije između lomljenog kamena i geosintetičke armature. Dosadašnja istraživanja pokazala su da su koeficijenti interakcije u šljunku veći od onih u pijesku, te je za očekivati da će koeficijenti interakcije u lomljenom kamenu biti veći od onih koji su određeni u šljunku. Kako bi se što bolje objasnio mehanizam interakcije između elemenata armature i tla provode se laboratorijska ispitivanja izravnog posmika i ispitivanja izvlačenja elemenata armature iz tla. Ispitivanje izravnog posmika slično je ispitivanjima koja se provode za tlo pri čemu se uzorak armature ugradi u uređaj i smiče, a u ispitivanju se registriraju posmična sila i pomak. Kod ispitivanja izvlačenja, armatura se ugradi između dva sloja tla, a nakon ugradnje uzorak armature se izvlači iz sloja tla. U ispitivanju se registriraju sila izvlačenja i pomaci koji se prate u pojedinim točkama na armaturi. Cilj ispitivanja je da se odredi sila koja je potrebna za izvlačenje armature ili sila pri kojoj dolazi do sloma armature. Dobivena sila izvlačenja podijeli se s površinom uzorka armature i dobije se otpor izvlačenju (koeficijent interakcije) koji se koristi kod projektiranja konstrukcija od armiranog tla. Mehanizam interakcije između tla i armaturnih elemenata ovisi o vrsti tla koje se koristi i o vrsti armaturnih elemenata, a ovaj rad je usmjeren na određivanje mehanizma interakcije između istezljive geosintetičke trake i lomljenog kamena. Kako bi se što bolje objasnio mehanizam interakcije između tla i geosintetičke trake potrebno je imati podatke o parametrima čvrstoće tla za koje je potrebno provesti ispitivanja izravnog posmika i parametre o interakciji između elementa tla za koje je potrebno provesti ispitivanja izvlačenja armature iz tla. U ovom radu promatran je utjecaj granulometrijskog sastava materijala na koeficijent interakcije između geosintetičke trake i tla. Ispitivanja su provedena za jednoliko graduirani lomljeni kamen s rasponom frakcija od 30 do 60 mm i dobro graduirani lomljeni kamen s rasponom frakcija od 4 do 60 mm i od 0 do 60 mm. Parametri čvrstoće lomljenog kamena određeni su u velikom uređaju za izravni posmik koji je razvijen na Rudarsko-geološko-naftnom fakultetu. Dimenzije uređaja su 300x300x300 mm, a maksimalni promjer zrna koji je ispitivan u uređaju za izravni posmik je 31 mm. Rezultati ovih ispitivanja pokazali su da je kut trenja i dilatancije najveći kod jednoliko graduiranog materijala, dok su najmanji kutovi trenja određeni za dobro graduirani materijal. Koeficijenti interakcije izmeu geosintetičke trake i lomljenog kamena određeni su u velikom uređaju za ispitivanje izvlačenja, tip GFOS. Ispitivanja su također provedena za tri različita granulometrijska sastava materijala: jednoliko graduirani materijal s rasponom frakcija od 30 do 60 mm i dobro graduirani materijal s rasponom frakcija od 4 do 60 mm i od 0 do 60 mm. Ispitivanja su provedena za slučaj izvlačenja jedne trake i za slučajeve izvlačenja dvije odvojene i dvije spojene geosintetičke trake. Ispitivanja izvlačenja jedne trake provedena su s ciljem određivanja utjecaja granulometrijskog sastava i gustoće materijala na koeficijente interakcije, dok se kod ispitivanja izvlačenja s dvije trake promatrao utjecaj bočnog trenja na koeficijent interakcije. Rezultati provedenih istraživanja pokazali su da su najveći kutovi trenja kod dobro graduiranog materijala od 0 do 60 mm, što je obrnuto od rezultata izravnog posmika gdje su za jednoliko graduirani materijal određeni najveći kutovi trenja. Ispitivanja s dvije odvojene i dvije spojene trake pokazala su da bočno trenje doprinosi povećanju koeficijenta interakcije. Uz laboratorijska ispitivanja određivanja koeficijenata interakcije i parametra koji utječu na koeficijent interakcije provedene su i povratne analize izvlačenja trake u programu Plaxis 2D. U povratnim analizama korišteni su parametri materijala određeni izravnim posmikom i koeficijenti interakcije određeni pokusom izvlačenja.Knowledge of the mechanism of interaction between the soil and the reinforcement element is crucial for the design of reinforced soil structures. It depends on the type of the reinforcing element and the soil that is used. The majority of previous research studied the mechanism of interaction either between the metal strip or nets, or else geosynthetic nets or geotextile and soil, while a small number of tests were conducted to determine the mechanism of interaction between geosynthetic strips and soil. In studies that were conducted to determine the mechanism of interaction between geosynthetic strip and soil, tests were conducted in cases when the fill material used was sand or, less frequently, gravel, while there are no available data in the literature for tests performed with crushed stone as fill material. Since in Croatia broken rock and geosynthetic reinforcement strip were used in the construction of two high reinforced earth walls (Strikic and Sveta Trojica), there was a need to study the mechanism of interaction between the crushed stone and geosynthetic reinforcement. Previous studies have shown that coefficients of interaction in the gravel are higher than those in the sand. Therefore, it is to be expected that the coefficients of interaction in crushed stone are to be higher than those for the gravel. In order to clarify the mechanism of interaction between the elements of reinforcement and soil, the laboratory direct shear tests and pull-out tests on reinforcement elements and soil were performed. Direct shear test with reinforcement is similar to usual direct shear test, for which the reinforcement is incorporated in the device and shear, and the test registers shear force and displacement. For pull-out test, reinforcement is incorporated between two layers of the soil, and after emplacement the reinforcement is pulled out from the soil. During the test, withdrawal forces and displacements are registered at particular points on the reinforcement. The goal of testing is to determine the force required to pull out the reinforcement or the force at which the reinforcement broke. The resulting pull-out force is divided with the surface of the reinforcement material and the obtained value is the draw resistance (coefficient of interaction) which is used in the design of reinforced soil structures. The mechanism of interaction between soil and reinforcement depends on the type of soil used and on the type of reinforcement elements. This thesis is attempting to determine the mechanisms of interaction between extensible geosynthetic strips and crushed stone. In order to better clarify the mechanism of interaction between soil and geosynthetic strips, soil strength parameters are necessary (for which direct shear test is performed), as well as parameters of the interaction between the elements of the soil (for which pull-out tests are performed). In this study, the effect of particle size distribution of the material on the coefficient of interaction between geosynthetic strips and soil was observed. Tests were performed on uniformly graded crushed stone fraction with a range of 30 to 60 mm and a well graded crushed stone fraction with a range of 4-60 mm, and from 0 to 60 mm. Strength parameters of the crushed stone are determined in a large direct shear device developed at the Faculty of Mining, Geology and Petroleum Engineering. Device dimensions are 300x300x300 mm and the maximum diameter of the grain that was investigated is 31,5 mm. The results of these tests showed that the friction angle and dilatancy are highest in uniformly graded material, while the smallest friction angles are specific to well graded material. Coefficients of interaction between geosynthetic stripe and crushed stone were determined in a large pull-out test device, GFOS model. These tests were also carried out for three different granulometric compositions: uniformly graded material with fraction range of 30 to 60 mm and a well-graded material with fraction range of 4-60 mm and from 0 to 60 mm. Tests were performed in the case of extraction of one strip and for two separated and two connected geosynthetic strips. One-strip extraction was conducted in order to determine the influence of particle size distribution and density of material on the interaction coefficient. For the extraction of the two strips, the effect of side friction on interaction coefficient was observed. The results of the study show that well graded materials (0-60 mm) show the greatest angles of friction between soil and strip, which is contrary to the results of direct shear test, where the uniformly graded material had greatest friction angles. Tests with two separate strips and two connected strips showed that side friction contributes to the coefficient of the interaction. In addition to laboratory tests for determining coefficients of interaction and parameters that affect the coefficient of interaction, feedback analyses have been conducted for strip pull-out in Plaxis 2D. In feedback analyses, parameters for materials were determined with direct shear and interaction coefficients were determined by pull-out test