The object of this research is to investigate the rate of soil creep and. its controlling variables at Killhope basin in Upper Weardale (Northern Pennines). The experimental work was designed to trace the movement of soil. Five sites were selected for study (three on peaty soils and two on mineral soils). At each site a set of four different instruments (an Anderson's tube, a Young's pit, wooden pillars and Rashidian's instrument)were used to measure creep rates for 18 months. To investigate which variables control this process, soil samples from sampling sites were used for quantitative analysis. The results of this study indicate: 1. Annual linear rates of soil creep varied from 0.58 mm to 1.52 mm.2. A strong relationship between creep rate and soil moisture content and its fluctuations.3. Higher creep rates for organic soils than for mineral soils.4. Non-exponential decline of rate of movement with depth.5. No evidence for the influence of slope angle on creep rate.6. The small differences in values recorded by different instruments show that the Rashidian technique was sufficiently accurate and useful for monitoring seasonal soil creep.

published_or_final_version / Applied Geosciences / Master / Master of Science

Den finkorniga sulfidjorden som finns längs Norrlandskusten är känd för sin stora sättningsbenägenhet och utgör en potentiell miljörisk genom försurning och urlakning av metaller om den inte hanteras rätt. För att förebygga miljörisker och utveckla jordförstärknings- och grundläggningsmetoder måste en ökad kunskap om sulfidjordar tas fram. I ett pågående forskningsprojekt vid Statens Geotekniska Institut studeras sulfidjords kompressionsegenskaper och rekommendationer ska tas fram avseende underlag för sättningsberäkningar. I projektet omfattas ett antal provbankar där ett av dessa områden, Lampen ligger i Kalix i norra Sverige. I detta examensarbete har det utförts numeriska analyser i finita elementprogrammet PLAXIS 2D av sättningar och portryck under en av provbankarna i Lampen och jämförelser görs med tidigare rapporterade fältmätningar. Tre olika delar analyseras i FE-programmet PLAXIS 2D. I den första delen, som är huvuddelen, utvärderas materialmodellernas, Soft Soil (SS) respektive Soft Soil Creep (SSC), förmåga att simulera de uppmätta sättningarna och porövertrycken för en period av cirka ett års belastning av provbank. Den andra delen består av en analys av de två deformationstillstånden, axialsymmetriskt och plant. De två deformationstillståden jämförs med hänsyn till sättningar och portryck. I den tredje delen utvärderas påverkan på simulerade resultat av olika nivåer på grundvattenytan, en variation som har observerats i provområdet i Lampen. Vid en jämförelse av de konstitutiva modellerna noteras som förväntat större sättningar vid användning av SSC-modellen i jämförelse med SS-modellen. SSC-modellen visar även ett högre porövertryck. Vid jämförelse med i fält uppmätta värden noteras att de mest överensstämmande sättningarna erhålls från SS-modellen medan portrycksutvecklingen simuleras bättre, men ändå långt från bra, med SSC-modellen (för simulering med dubbelsidig dränering). Vid analys av deformationstillstånd (axialsymmetriskt kontra plant) noteras en jämnare fördelning av deformationer längs banken vid användandet av axialsymmetriskt tillstånd. Den potentiella brottrörelsen som uppvisas vid släntkrön vid tillämpning av plant deformationstillstånd är inte lika tydlig vid axialsymmetriskt tillstånd. Det axialsymmetriska tillståndet visar även ett lägre porövertryck. Numeriska simuleringar av den varierande nivån på grundvattenytan som observerats i fältmätningar visar vid fallet en lägre antagen grundvattennivå en marginellt mindre sättning.  Potentiella brottrörelser blir inte lika tydliga då den lägre nivån på grundvattenytan simuleras.

I detta examensarbete har en utredning gjorts med syftet att undersöka lämpligheten att genomföra en djupstabilisering med multicementpelare (MC-pelare) i ett område med högt ställda sättningskrav. Detta genom att numeriskt simulera hur djupstabiliserad lera kan bete sig vid belastning med avseende på långtidsdeformationer. Vidare utvärderas hur väl olika materialmodeller kan simulera sättningar med hänsyn till kryp samt huruvida krypsättningar bör beaktas vid denna typ av dimensionering. Simuleringarna är genomförda enligt de geotekniska förutsättningarna och den planerade byggnationen på Galoppfältet i Täby Park. Som en grund för beräkningarna genomfördes en litteraturstudie där bland annat valet att simulera pelarna med Mohr-Coulomb (MoC), Soft Soil Creep (SSC) och Concrete Model (CM) i Plaxis 2D motiveras. Pelarna simulerades med en axissymmetrisk 2D-modell och i samtliga beräkningar simulerades leran med kryp medan pelarna simulerades både med och utan krypsättningar. En kalibrering mot tidigare forskning på området samt sättningsberäkningar av lera på Galoppfältet genomfördes för att säkerställa den valda modellens lämplighet. Därefter simulerades pelare med olika geometriska förutsättningar och varierande uppfyllnadshöjd. En sensitivitetsanalys gjordes även för att åskådliggöra vilka av de osäkra parametrarna som ger stor påverkan på resultatet. Simuleringarna visade att det antagligen är lämpligt att djupförstärka leran med multicementpelare för att uppnå låga sättningar över tid. För en pelardiameter på 800 mm och ett centrumavstånd på 1200 mm uppnåddes följande sättningar med de olika uppfyllnadshöjderna samt de olikamaterial modellerna. Av de testade pelarna ansågs denna geometri mest lämplig för de givna förutsättningarna på Galoppfältet. Detta baseras på den totala sättningen och att vissa pelare gick till brott i simuleringarna för övriga geometrier med större centrumavstånd och mindre pelardiameter. Beräkningarna där pelarna simulerades med SSC- och CM med kryp visade på stor variation sinsemellan. Resultaten med SSC anses felaktigt låga på grund av bristfälliga materialdata och visas därför inte i sammanfattningen. Resultaten med CM utan kryp och MoC utan kryp anses mest trovärdiga om än dock potentiellt för låga eftersom krypsättningar i pelarna inte är inkluderade. Vidare anses CM överlag vara en lämplig modell för att simulera sättningar med kryp i djupförstärkt lera förutsatt att ett tillräckligt underlag för val av materialparametrar finns att tillgå. SSC kan potentiellt vara lämplig enligt resultat från sensitivitetsanalysen förutsatt att materialparametrar kan undersökas för de lokala förutsättningarna. Dock förordas CM för fortsatta studier med krypsättningar i djupförstärkt lera. MoC anses som en god modell om kryp försummas. Med hänsyn till detta anser författarna att kryptester på multicementpelare bör övervägas för att skapa bättre förutsättningar för dimensionering av djupförstärkt lera med krypsättningar. Något som kan ge underlag för dimensionering med högre precision och potentiellt ekonomisk vinning. / This master thesis investigates the suitability of using multicement, a mixture of cement and cement kiln dust (CKD), for deep cement mixing (DCM) as soil improvement in an area with high requirements regarding the maximum allowed settlements. This was done by numerical modelling of long-term settlement behaviour for a DCM improved soil. Furthermore, the usability of different material models when considering creep behaviour are studied. The report also investigates whether creep behaviour should be considered or not in this type of simulation. The simulations are done according to the geotechnical conditions and the planned design for an old gallop track in Täby Park, Sweden. A literature review is done as a basis for the simulations performed in Plaxis 2D with an axis symmetric 2D-model. The use of Mohr-Coulomb (MoC), Soft SoilCreep (SSC) and Concrete Model (CM) for the columns are motivated. Creep settlements are included in the clay for all simulations while the columns are simulated both with and without creep settlements. To ensure the suitability of the model, a calibration is done by replication of a research study as well as replication of settlement calculations of the unimproved clay on Galoppfältet. Thereafter different geometric options for the columns and varying fill depths are simulated. Lastly a sensitivity analysis is conducted to display how much the uncertain material properties affect the result. Using multicement columns (MC columns) for DCM seems to be a good method for stabilizing the soil in Galoppfältet to achieve small settlements over time. For columns with a diameter of 800 mm and a center distance of 1200 mm the following settlements were calculated with the different material models for different fill heights. This geometry was considered most suitable for the conditions at Galoppfältet.  The two material models which account for creep in the columns show significantly different levels of total settlement. Due to lack of material data the results from simulations with SSC is deemed incorrect and thus not shown in the abstract. Thereby the results from MoC and CM without creep are deemed most credible even though they may be slightly low since they do not consider creep settlements in the columns. Furthermore, the Concrete Model is considered a good model to simulate settlements including creep in improved clay given that the material properties are carefully selected based on testing of the material. Soft Soil Creep may potentially be suitable for columns according to the calibration given that the different material parameters are investigated for the local conditions. However, CMare favoured. Mohr-Coulomb is deemed as a good model if creep settlements are neglected. With regards to this, the authors believe that creep tests of multicement columns should be considered to create improved preconditions for dimensioning of DCM columns with creep. This to improve the accuracy of design and potentially create cost reductions.

Applicering av överlast på kalkcementförstärkta jordar är ofta förekommande idag, forskning indikerar dock på att överlasten här, inte ger samma effekt som på oförstärkta jordar. Med grund i uppmätta värden i fält, visas i denna rapport, sättningsdifferenser mellan att använda överlast jämfört med att endast applicera brukslast. Resultat av analyserna visar på sättningsbeteende observerat i fält. Om erforderlig liggtid för brukslast finns, uppstår endast små sättningsdifferenser mellan att använda överlast eller inte. Genom att utföra sensitivitetsanalys i FEM- programvaran PLAXIS studeras kryputvecklingen i den förstärkta jorden. Effekten av att applicera en överlast visas för krypsättningar över lång tid. Inget resultat från de numeriska FEM- analyserna visade att märkbart gynnsam effekt uppstår på grund av överlastens applicering, med avseende på krypsättningar. De numeriska analyserna utförs i 2 och 3 dimensioner för att belysa effekt av förenkling av ett lastfall som inte uppfyller krav för oförstärkta jordar i plant töjningstillstånd. Utöver detta ges efter en litteraturstudie, förslag på hur vissa indataparametrar kan utvärderas från empiriska relationer. Indataparametrar som ligger till grund för analyserna är utvärderade från sonderingsresultat i kombination med värden från laborationsförsök och empiriska data.

In the southern Appalachians, the dominant soil order, Ultisols, is highly susceptible to erosion. If left unmanaged these soils can develop into gully systems resulting in land degradation. This study examines gully development through sidewall mass-wasting events at a high temporal resolution using 30 minute time-lapse photography. Prior research at this site found significant mass wasting events occurring between weekly monitoring periods. By shortening the interval of observation to 30-minutes, a more accurate understanding of the frequency and intensity of these mass-wasting events, and their relation to meteorological factors, can be determined. Photographs of a gully (approximately 1.5 m deep by 3 m wide at the top) were captured every 30 minutes from 11/29/17 - 2/18/2018 with a WingScape outdoor time-lapse camera mounted on a plastic stake 3.16 m from the gully facing northwest and upstream into the gully channel. A total of n=1648 images were coded using presence/absence indices for six observed geomorphic processes: creep on NE facing sidewall, creep on SW facing sidewall, slump on NE facing sidewall, slump on SW facing sidewall, channel aggradation, and channel development. Precipitation and temperature data were collected every 5 minutes using a Davis Vantage Pro 2 weather station located 240 m from the gully, and were aggregated to various time intervals. Precipitation received in previous 0.5, 1, 1.5, 2, 3, 6, 12, 24, 36, 48, and 72 hours were calculated for each image. Two binary temperature variables were generated with values of “1” if temperature dropped below 0 °C (32 °F) during the prior 30 minutes or 24 hours, respectively, and “0” otherwise. Logistic regression models (forward conditional method) for the six geomorphic index variables were generated using the precipitation and temperature data. For creep on the NE facing sidewall, the significant independent variables are 3 hour and 72 hour prior rain, and freeze conditions in the previous 0.5 and 24 hours. On the SW facing sidewall, rain and temperature variables were also important for creep; rain in the previous 12 and 24 hours, and freeze conditions within the previous 24 hours were retained in the model. For slumping on both the NE and SW facing sidewall, recent and prolonged rain were important. Specifically, 1, 6, 12, and 24 hour rainfall were retained in both models, with the addition of 3 hour rainfall in the NE facing sidewall slump model. No temperature variables were retained. For channel aggradation (deposition of material in the channel), rain in the prior 12 and 72 hours, and freezing in the prior 24 hours were important, suggesting that freeze-thaw processes loosen the soil, and subsequent rain events carry material into the channel. When rain stops, the material is then deposited in the channel. Interestingly, no viable model could be developed for channel development (erosion) using these parameters. These results will be useful to quantify meteorological controls on gully erosion at short temporal scales.