Parametric analysis in deep urban excavations using fully coupled flow-deformation analysis

Abstract

Currently, the implementation of advanced methods for the analysis of deep urban excavations such as the Fully coupled flow-deformation analysis that enables to simultaneously calculate stress, deformations and pore water pressures in a time dependent process and can take into account partially drained conditions are easily available in several programs for numerical simulation, however, there is not a clear definition about the necessary conditions for its correct implementation. This research work present a method to define the drainage condition that most likely will take place during an excavation process. Guidelines to define the applicability of fully drained and undrained cases are presented. Special focus is given to define the cases were the implementation of fully coupled flow-deformation analyses is essential for an accurate modeling of excavation in soft to medium fully saturated clays. This research work is believed to be the first attempt to employed advanced finite element modeling of a generalized excavation where soil consolidation and non-linear soil behavior were simulated via fully couple flow-deformations analyses along with the advanced hypoplasticity clay model that accounts for stress history and small strain behavior. The proposed design charts are based on a parametric study conducted to evaluate the effects on excess pore pressures and ground surface settlements of variations in excavation rates, hydraulic conductivity of the soil, excavation geometry and support system stiffness. The proposed method is validated against field performance data (i.e. ground surface settlements and excess pore water pressures) collected from 11 different excavation case histories around the world.

Resumen: Actualmente, la implementación de métodos avanzados para el análisis de excavaciones urbanas, como el análisis completamente acoplado de flujo-deformación que permite calcular simultáneamente los esfuerzos, las deformaciones y las presiones de poros durante procesos tiempo-dependiente y además puede tener en cuenta las condiciones parcialmente drenadas, se encuentran fácilmente disponibles en varios programas de simulación numérica, sin embargo no existe una definición clara sobre las condiciones necesarias para su correcta implementación. Este trabajo de investigación presenta un método para definir las condiciones de drenaje que probablemente tendrán lugar durante un proceso de excavación. Se establecen pautas para definir la aplicabilidad de los casos totalmente drenado y no drenado. Se prestó especial atención a definir los casos en los que la implementación del análisis completamente acoplado de flujo-deformación es esencial para un modelado preciso de excavaciones en arcillas completamente saturadas. Se cree que este trabajo de investigación es el primer intento de emplear un proceso de modelamiento avanzado mediante el método de elementos finitos de una excavación generalizada en la que se modelo la consolidación del suelo y el comportamiento no lineal de este, mediante análisis acoplado de flujo-deformación junto con el modelo constitutivo avanzado de hipoplasticidad para arcillas que captura la historia de esfuerzos y el comportamiento a pequeñas deformaciones del suelo. Las gráficas de diseño propuestos se basaron en un estudio paramétrico realizado para evaluar los efectos sobre la presión de poros en exceso y los asentamientos del suelo variando las tasas de excavación, la conductividad hidráulica del suelo, la geometría de la excavación y la rigidez del sistema de soporte. El método propuesto se validó con los datos de mediciones de datos en campo (asentamientos y presiones de poros) recopilados de 11 casos diferentes de excavaciones urbanas profundas en todo el mundo