velikost textu

Modelling of lumpy clay fills

Upozornění: Informace získané z popisných dat či souborů uložených v Repozitáři závěrečných prací nemohou být použity k výdělečným účelům nebo vydávány za studijní, vědeckou nebo jinou tvůrčí činnost jiné osoby než autora.
Název:
Modelling of lumpy clay fills
Název v češtině:
Modelování jílovitých výsypek
Typ:
Rigorózní práce
Autor:
Mgr. Jan Najser, Ph.D.
Id práce:
100473
Fakulta:
Přírodovědecká fakulta (PřF)
Pracoviště:
Ústav hydrogeologie, inž. geologie a užité geofyziky (31-450)
Program studia:
Geologie (N1201)
Obor studia:
Aplikovaná geologie (NAPLIKG)
Přidělovaný titul:
RNDr.
Datum obhajoby:
20. 12. 2010
Výsledek obhajoby:
Prospěl/a
Jazyk práce:
Angličtina
Abstrakt:
MODELOVÁNÍ JÍLOVITÝCH VÝSYPEK Jan Najser Abstrakt Od 40. let minulého století probíhá v severních Čechách rozsáhlá povrchová těžba hnědého uhlí. Odtěžený nadložní jíl se ukládá na výsypky ve formě hrud o průměru do 500 mm. Průměrná výška výsypek dosahuje 20 až 50 m. Charakteristickou vlastností výsypek je jejich dvojí pórovitost, která je dána vnitřní pórovitostí jílových hrud (intragranulární pórovitost) a mezerovitostí (intergranulární pórovitost). Celková pórovitost čerstvé výsypky může dosáhnout až 70%. Vysoká a nerovnoměrná stlačitelnost výsypek komplikuje jejich budoucí využití pro zakládání staveb. Dalším problematickým faktorem je změna struktury výsypek v čase, při které dochází k jejich homogenizaci a přeměně původně sypkého materiálu na zeminu s mechanickým chováním odpovídajícím jílu. V důsledku těchto faktorů jsou mechanické vlastnosti starých výsypek obtížně předpověditelné. Cílem práce je popis mechanického chování výsypek a změn jejich vnitřní struktury na základě analýzy terénních měření, fyzikálního modelování v geotechnické centrifuze a numerického modelování. V souvislosti se stavbou dálnice D8 byly v letech 1998 a 2001 v plánované trase dálnice vybudovány dva pokusné násypy. Násypy, postavené na 20-30 let staré vodou nasycené výsypce, byly monitorovány po dobu 3 a 6 let. Podloží násypů bylo instrumentováno profily hydrostatické nivelace, hloubkovými referenčními značkami pro měření vertikálních posunů a měřidly pórového tlaku. Výsledky monitoringu ukázaly rychlou disipaci pórových tlaků po zatížení násypem. Část naměřeného sednutí byla způsobena také poklesem hladiny podzemní vody během měření a creepem. Srovnání jednotlivých profilů hydrostatické nivelace prokázalo značně nerovnoměrné sedání výsypky. Modelování v minicentrifuze a oedometrické zkoušky na materiálu modelu demonstrovaly základní mechanické chování zemin s dvojí pórovitostí: při nízkých vertikálních napětích převažuje nevratná deformace způsobená přeskupováním jílových hrud, zatímco při vyšších vertikálních napětích se výrazněji projevuje elastická složka deformace a sklon čáry odlehčení je podobný jako u rekonstituované zeminy. Posouzení dvou odlišných metod sypání výsypky ukázalo, že sypáním jílových hrud do vody vzniká výsypka z větší prvotní mezerovitostí a tedy vyšší stlačitelností. Z hlediska pozdějšího využití výsypky se nejvhodnější metodou sypání výsypky ukázalo sypání jílových hrud „na sucho“, následované rychlým přirozeným nasycením. Modelování pokusného násypu v geotechnické centrifuze probíhalo při 150 g. Byly provedeny dvě zkoušky s různými technikami konstrukce násypu. Výsledky modelování potvrdily, že hydraulická vodivost výrazně klesá v závislosti na míře degradace struktury výsypky. Při konsolidaci modelu výsypky v centrifuze bylo zaznamenáno výrazné sednutí na začátku konsolidace, způsobené uzavíráním mezer mezi hroudami a rychlou disipací pórových tlaků. Po uzavření většiny mezer je propustnost výsypky závislá na nízké propustnosti materiálu hrud a disipace a sedání výsypky je výrazně pomalejší. Výrazné počáteční sednutí v důsledku uzavírání mezer v horní části modelu výsypky bylo pozorováno i po přitížení násypem. V porovnání s výsledky polního měření bylo u modelu v centrifuze naměřeno vyšší sednutí v horních 10 metrech výsypky. Rozdíl je pravděpodobně způsoben nižší intergranulární pórovitostí horní vrstvy výsypky in situ v důsledku degradace původní struktury vlivem zvětrávání. Pro numerické modelování pokusných násypů byl zvolen hypoplastický model pro jíly s metastabilní strukturou. Základní hypoplastický model byl kalibrován na základě trojosých zkoušek (izotropní stlačitelnosti a smykových) na rekonstituovaném jílu. Parametry charakterizující dvojí pórovitost a rychlost její degradace byly kalibrovány na základě oedometrických zkoušek na granulovaném jílu (výsypkový materiál se zmenšenými rozměry jílových hrud). Kvalita předpovědi modelu byla ověřena numerickou simulací konsolidace výsypky v centrifuze a vzájemným porovnáním výsledků numerického modelu a konsolidace modelu v centrifuze. Hypoplastický model se použil pro simulaci obou pokusných násypů a výsledky byly porovnány s výsledky monitoringu. Numerický model poskytl výrazně větší sednutí než monitoring. Podobně jako při modelování v centrifuze byl rozdíl vysvětlen zvětráváním vrchní části výsypky v terénu. Degradace struktury výsypky v důsledku zvětrávání byla zohledněna v numerickém modelu snížením čísla pórovitosti výsypky, senzitivity a parametru κ* v závislosti na hloubce. Zpětná analýza degradace struktury výsypky ukázala, že změna struktury se výrazně projevuje v horních 10 metrech, a že vliv zvětrávání výsypky v terénu postupně klesá s hloubkou.
Abstract v angličtině:
MODELLING OF LUMPY CLAY FILLS Jan Najser Abstract An extensive open cast mining of brown coal has been taking place in NW Bohemia since 1940's. During the mining process, overburden clay is placed in the form of irregularly shaped lumps of typical dimensions up to 500 mm into large spoil heaps. The total thickness of the lumpy clay landfills is usually 20-50 m. Their material has a double porosity structure: the porosity of intact clay (intragranular porosity) and the voids between clay lumps (intergranular porosity). The total porosity of the fresh fill can be up to 70%. This soil presents special challenges for geotechnical design, primarily because of its high and non-uniform settlement. Further, the progressive tranformation from the “granular“ to “fine-grained“ material makes the lumpy clay difficult to characterise and model. The aim of the presented thesis is to describe the behaviour of the landfill and the change of its structure by means of field measurements, the centrifuge and numerical modelling. During site investigation for a motorway over a 20-30 years old landfill, two trial embankments were built and monitored over the period of 3 and 6 years respectively. The subsoil of the embankments was instrumented by hydrostatic levelling profiles, pore pressure transducers and depth reference points installed in boreholes. The interpretation of the field measurements revealed large settlements, which are attributed to the embankment surcharge, change of the groundwater level position during the monitoring and creep. A significant differential settlements were observed under both embankments. Introductory modelling in a mini-centrifuge, combined with oedometer testing, demonstrated the key mechanisms in the double porosity fills: irreversible deformation at the low stresses due to rearrangement of the lumps, and reversible deformation (swelling) at higher stresses, similar to the behaviour of the reconstituted material. Two different methods of filling were analysed. Placing fill under water resulted in high initial void ratios followed by large deformations while loading. Dry filling followed by fast natural saturation may be recommended with respect to further development of the landfills. The centrifuge modelling of the field embankment was carried out at 150 g. Two tests with different techniques of embankment construction were performed. The results confirmed that hydraulic conductivity was controlled by the complex structure of the clayfills. Similarly to the field measurements, there were significant initial settlements during the self-weight consolidation due to the compression of open macro voids. The double porosity structure in the saturated fresh fill allowed the excess pore pressures to dissipate quickly, which accelerated the consolidation process initially. Thereafter, dissipation was controlled by the low permeability of the intragranular pores in the clay, once the intergranular pores had closed. The rapid initial settlement was observed also after the embankment surcharge. In the centrifuge higher settlements were measured in the top 10 meters of the landfill than in the field. The major part of this difference can be attributed to the reduction of the porosity due to the climate effects in situ, which can cause a faster degradation of the soil structure close to the surface. A hypoplastic model for clays with meta-stable structure was chosen for the numerical modelling of both the in situ trial embankments. The basic hypoplastic model for clays was calibrated using isotropic compression tests and triaxial compression tests on the reconstituted clay. The three additional model parameters describing the effects of double porosity structure were calibrated using oedometer tests on the specimens prepared from the scaled down double porosity material (material with smaller size of clay lumps). The performance of the model was evaluated by a comparison with the results of the centrifuge model of self-weight consolidated landfill. Finally, the hypoplastic model was used for the simulation of both trial embankments and the results were compared with the in situ measurements. The numerical model yielded bigger settlements due to the embankment surcharge than the field measurements. The degradation of the double porosity structure in situ due to weathering in the top landfill layer was considered as the main reason for this discrepancy. The weathering effects were modelled by a reduction of the void ratio, sensitivity and parameter κ* in the vertical profile of the landfill. An inverse analysis of the weathering destructuration showed that the double porosity structure is degraded in the top 10 m and the effect of the weathering destructuration decreases with depth.
Dokumenty
Stáhnout Dokument Autor Typ Velikost
Stáhnout Text práce Mgr. Jan Najser, Ph.D. 7.15 MB
Stáhnout Abstrakt v českém jazyce Mgr. Jan Najser, Ph.D. 69 kB
Stáhnout Abstrakt anglicky Mgr. Jan Najser, Ph.D. 67 kB
Stáhnout Záznam o průběhu obhajoby Ing. Jan Boháč, CSc. 80 kB