Modeling of pore pressure in a railway embankment

Modeling of pore pressure in a railway embankment Marcus Vestman Civilingenjör, Väg- och vattenbyggnad 2018 Luleå tekniska universitet Institutionen för samhällsbyggnad och naturresurser

1. INTRODUCTION... 1 2. BACKGROUND AND MOTIVATION... 3 2.1. CONSOLIDATION... 3 2.2. VOLUME AND PORE WATER PRESSURE CHANGES... 4 2.3. SHEAR TESTS... 5 2.4. SHEAR WAVES... 7 2.5. PROBLEMS WITH DISSIPATION OF EXCESS PORE PRESSURE... 8 2.6. AIM AND OBJECTIVES... 9 2.7. SIMPLIFICATIONS... 9 3. METHOD... 11 3.1. MODEL... 11 3.1.1. Design... 11 3.1.2. Material parameters... 13 3.1.3. Model procedure... 14 3.1.4. Model differences... 17 3.1.5. Model specification Mohr Coulomb... 18 4. RESULTS AND ANALYSIS... 19 4.1. MEASURING POINTS... 19 4.2. EXCESS PORE PRESSURE... 21 4.2.1. Effective stress... 24 4.2.2. Displacement... 25 4.3. MODEL RELIABILITY... 27 5. DISCUSSION... 29 6. CONCLUSION AND FUTURE WORK... 31 6.1. CONCLUSION... 31 6.2. FUTURE WORK... 31 REFERENCES... 33

ν c' [kpa] φ' [ ] Ψ [ ] Su [kpa] k d 10 t C k = C d 2 10 (0,7 + 0,003t) d 10

q(t) = L sin(ωt) q(t) ω L t

1,5 1 0,5 0-0,5 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 Wheel rotation Loading Unloading -1-1,5 Time 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 Wheel one Wheel two Wheel three Wheel four 0-0,2 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 Time

64 kpa 32,5 tons = 69 kpa 30 tons

Master Thesis Appendix 1 1/10 ID Material d 10min d 10max d 30 d 60 d 90 Grading number, C U Grading number, C C Water temp C 1484+625 spm sagr 0,03 0,05 0,63 3,492 13,034 116,4 69,84 3,78866 2,273196 8 0,007 1,52E-04 2,53E-04 1484+625v GrTi 0,162 0,162 3 8,035 17,674 49,59877 49,598765 6,914195 6,914195 8 0,007 8,21E-04 8,21E-04 1484+625(2)w sagrsiti 0,004 0,016 0,09 1,618 11,494 404,5 101,125 1,251545 0,312886 8 0,007 2,03E-05 8,11E-05 1484+625w sagrti 0,066 0,066 0,4 3,359 15,743 50,89394 50,893939 0,721716 0,721716 8 0,007 3,34E-04 3,34E-04 1484+625(2)v sasigrti 0,02 0,04 0,3 6,588 24,732 329,4 164,7 0,68306 0,34153 8 0,007 1,01E-04 2,03E-04 1485+000h sasigr(mg) 0,01 0,025 0,18 2,015 14,476 201,5 80,6 1,60794 0,643176 8 0,007 5,07E-05 1,27E-04 1483+900spm sagr(mg) 0,02 0,045 0,45 3,08 13,956 154 68,444444 3,287338 1,461039 8 0,007 1,01E-04 2,28E-04 1483+900(2)spm grsasi 0,01 0,025 0,17 1,963 12,663 196,3 78,52 1,472236 0,588895 8 0,007 5,07E-05 1,27E-04 1483+900(3)spm grsisa 0,01 0,03 0,22 2,124 12,883 212,4 70,8 2,278719 0,759573 8 0,007 5,07E-05 1,52E-04 Water temperature was assumed to be 8 degrees since the water in that area is often melted water during the spring and summer. The grading coefficient was assumed to be 0,007, close to a fully well graded soil. The permeability for the moraine was set to 10^-5-10^-8, values taken from SGI Info 1 for gravel till and sand till. Min permeability for moraine 1,00E-08 [m/s] 0,000864 [m/d] Max permeability for moraine 1,00E-05 [m/s] 0,864 [m/d] Min permeability for fill 5,07E-05 [m/s] 4,378752 [m/d] Max permeability for fill 2,53E-04 [m/s] 21,89376 [m/d] Permeability

Uppdragsgivare: Thomas Bohman Gransk./Sign: Master Thesis Appendix 1 Uppdragsnr: 7501873350 Provtagningsdatum: 2017-08-08 Löp-nr: 48 Projekt: Riskinventering malmbanan Datum: 2017-08-23 Kornfördelning enl. SS-EN ISO 17892-4 och SS-EN ISO 17892-1 2/10 Sweco civil AB Rotorvägen 2b, 961 43 Boden mikael.sundberg@sweco.se 0920-355 33 Kornstorlek d (mm) 0,001 0,002 0,0063 0,02 0,063 0,2 0,63 2 6,3 20 63 200 100 90 80 70 60 Lera Silt Finsilt Mellansilt Grovsilt Sand Finsand Mellansand Grovsand Grus Fingrus Mellangrus Grovgrus Sten Passerande mängd, viktprocent 50 40 30 20 10 0 0,001 0,005 0,01 0,063 0,125 0,25 0,5 1 2 4 8 16 31,5 63 200 0,074 5,6 11,3 22,6 45 Vattenkvot 4,1% Sektion Borrhål ML. 1483+900 spm Djup (m) Gäller mellan (m) Benämning Siktat Prov (g) Provbeteckning Glödgn.- förlust % Mtrl % > mm *=AMA Anläggning 13 Tjälfarlighet d10 d60 d90 1,0-2,0 Sandigt GRUS (Mg) 1291 2/1* 3,080 13,956 1(1)

Uppdragsgivare: Thomas Bohman Gransk./Sign: Master Thesis Appendix 1 Uppdragsnr: 7501873350 Provtagningsdatum: 2017-08-08 Löp-nr: 48 Projekt: Riskinventering malmbanan Datum: 2017-08-25 Kornfördelning enl. SS-EN ISO 17892-4 och SS-EN ISO 17892-1 3/10 G:\2468\Application\Geosikt\Augusti\Riskinventering malmbanan Stax(48).gws Sweco civil AB Rotorvägen 2b, 961 43 Boden mikael.sundberg@sweco.se 0920-355 33 Kornstorlek d (mm) 0,001 0,002 0,0063 0,02 0,063 0,2 0,63 2 6,3 20 63 200 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 Lera Silt Finsilt Mellansilt Grovsilt Sand Finsand Mellansand Grovsand 0 0,001 0,005 0,01 0,063 0,125 0,25 0,5 1 2 4 8 16 31,5 63 200 0,074 5,6 11,3 22,6 45 Vattenkvot 7,02% Sektion Borrhål M.L 1483+900(2) spm Djup (m) Gäller mellan (m) Benämning Siktat Prov (g) Grus Fingrus Mellangrus Grovgrus Provbeteckning Glödgn.- förlust % Mtrl % > mm *=AMA Anläggning 13 Tjälfarlighet 2,0-3,0 Grusig sandig silt 584 3B/2* 1,963 12,663 Sten Passerande mängd, viktprocent d10 d60 d90 1(1)

Uppdragsgivare: Thomas Bohman Gransk./Sign: Master Thesis Appendix 1 Uppdragsnr: 7501873350 Provtagningsdatum: 2017-08-08 Löp-nr: 48 Projekt: Riskinventering malmbanan Datum: 2017-08-23 Kornfördelning enl. SS-EN ISO 17892-4 och SS-EN ISO 17892-1 4/10 Sweco civil AB Rotorvägen 2b, 961 43 Boden mikael.sundberg@sweco.se 0920-355 33 Kornstorlek d (mm) 0,001 0,002 0,0063 0,02 0,063 0,2 0,63 2 6,3 20 63 200 100 90 80 70 60 Lera Silt Finsilt Mellansilt Grovsilt Sand Finsand Mellansand Grovsand Grus Fingrus Mellangrus Grovgrus Sten Passerande mängd, viktprocent 50 40 30 20 10 0 0,001 0,005 0,01 0,063 0,125 0,25 0,5 1 2 4 8 16 31,5 63 200 0,074 5,6 11,3 22,6 45 Vattenkvot 5,7% Sektion Borrhål M.L 1483+900(3) spm Djup (m) Gäller mellan (m) Benämning Siktat Prov (g) Provbeteckning Glödgn.- förlust % Mtrl % > mm *=AMA Anläggning 13 Tjälfarlighet d10 d60 d90 3,0-6,0 Grusig siltig SAND (Mg) 624 3B/2* 2,124 12,883 1(1)

Uppdragsgivare: Thomas Bohman Gransk./Sign: Master Thesis Appendix 1 Uppdragsnr: 7501873350 Provtagningsdatum: 2017-08-08 Löp-nr: 48 Projekt: Riskinventering malmbanan Datum: 2017-08-23 Kornfördelning enl. SS-EN ISO 17892-4 och SS-EN ISO 17892-1 5/10 Sweco civil AB Rotorvägen 2b, 961 43 Boden mikael.sundberg@sweco.se 0920-355 33 Kornstorlek d (mm) 0,001 0,002 0,0063 0,02 0,063 0,2 0,63 2 6,3 20 63 200 100 90 80 70 60 Lera Silt Finsilt Mellansilt Grovsilt Sand Finsand Mellansand Grovsand Grus Fingrus Mellangrus Grovgrus Sten Passerande mängd, viktprocent 50 40 30 20 10 0 0,001 0,005 0,01 0,063 0,125 0,25 0,5 1 2 4 8 16 31,5 63 200 0,074 5,6 11,3 22,6 45 Vattenkvot 3,6% Sektion Borrhål M.L 1484+625 spm Djup (m) Gäller mellan (m) Benämning Siktat Prov (g) Provbeteckning Glödgn.- förlust % Mtrl % > mm *=AMA Anläggning 13 Tjälfarlighet d10 d60 d90 1,1-2,0 Sandigt GRUS (Mg) 771 2/1* 3,492 13,034 1(1)

Uppdragsgivare: Thomas Bohman Gransk./Sign: Master Thesis Appendix 1 Uppdragsnr: 7501873350 Provtagningsdatum: 2017-08-15 Löp-nr: 48 Projekt: Riskinventering malmbanan Datum: 2017-08-28 Kornfördelning enl. SS-EN ISO 17892-4 och SS-EN ISO 17892-1 6/10 G:\2468\Application\Geosikt\Augusti\Riskinventering malmbanan Stax(48).gws Sweco civil AB Rotorvägen 2b, 961 43 Boden mikael.sundberg@sweco.se 0920-355 33 Kornstorlek d (mm) 0,001 0,002 0,0063 0,02 0,063 0,2 0,63 2 6,3 20 63 200 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 Lera Silt Finsilt Mellansilt Grovsilt Sand Finsand Mellansand Grovsand 0 0,001 0,005 0,01 0,063 0,125 0,25 0,5 1 2 4 8 16 31,5 63 200 0,074 5,6 11,3 22,6 45 Sektion Borrhål M.L 1484+625 w Djup (m) Gäller mellan (m) Benämning Siktat Prov (g) Grus Fingrus Mellangrus Grovgrus Provbeteckning Glödgn.- förlust % Mtrl % > mm *=AMA Anläggning 13 Tjälfarlighet 0,0-1,0 Sandig GRUSMORÄN 920 2/1* 0,066 3,359 15,743 Sten Passerande mängd, viktprocent d10 d60 d90 1(1)

Uppdragsgivare: Thomas Bohman Gransk./Sign: Master Thesis Appendix 1 Uppdragsnr: 7501873350 Provtagningsdatum: 2017-08-15 Löp-nr: 48 Projekt: Riskinventering malmbanan Datum: 2017-08-28 Kornfördelning enl. SS-EN ISO 17892-4 och SS-EN ISO 17892-1 7/10 G:\2468\Application\Geosikt\Augusti\Riskinventering malmbanan Stax(48).gws Sweco civil AB Rotorvägen 2b, 961 43 Boden mikael.sundberg@sweco.se 0920-355 33 Kornstorlek d (mm) 0,001 0,002 0,0063 0,02 0,063 0,2 0,63 2 6,3 20 63 200 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 Lera Silt Finsilt Mellansilt Grovsilt Sand Finsand Mellansand Grovsand 0 0,001 0,005 0,01 0,063 0,125 0,25 0,5 1 2 4 8 16 31,5 63 200 0,074 5,6 11,3 22,6 45 Sektion Borrhål M.L 1484+625(2) w Djup (m) Gäller mellan (m) Benämning Siktat Prov (g) Grus Fingrus Mellangrus Grovgrus Provbeteckning Glödgn.- förlust % Mtrl % > mm *=AMA Anläggning 13 Tjälfarlighet 1,0-2,0 Sandig grusig siltig MORÄN 1082 3B/2* 1,618 11,494 Sten Passerande mängd, viktprocent d10 d60 d90 1(1)

Uppdragsgivare: Thomas Bohman Gransk./Sign: Master Thesis Appendix 1 Uppdragsnr: 7501873350 Provtagningsdatum: 2017-08-08 Löp-nr: 48 Projekt: Riskinventering malmbanan Datum: 2017-08-23 Kornfördelning enl. SS-EN ISO 17892-4 och SS-EN ISO 17892-1 8/10 Sweco civil AB Rotorvägen 2b, 961 43 Boden mikael.sundberg@sweco.se 0920-355 33 Kornstorlek d (mm) 0,001 0,002 0,0063 0,02 0,063 0,2 0,63 2 6,3 20 63 200 100 90 80 70 60 Lera Silt Finsilt Mellansilt Grovsilt Sand Finsand Mellansand Grovsand Grus Fingrus Mellangrus Grovgrus Sten Passerande mängd, viktprocent 50 40 30 20 10 0 0,001 0,005 0,01 0,063 0,125 0,25 0,5 1 2 4 8 16 31,5 63 200 0,074 5,6 11,3 22,6 45 Vattenkvot 5,7% Sektion Borrhål M.L 1484+625(2) v Djup (m) Gäller mellan (m) Benämning Siktat Prov (g) Provbeteckning Glödgn.- förlust % Mtrl % > mm *=AMA Anläggning 13 Tjälfarlighet d10 d60 d90 1,0-2,0 Sandig siltig GRUSMORÄN 1479 3B/2* 6,588 24,732 1(1)

Uppdragsgivare: Thomas Bohman Gransk./Sign: Master Thesis Appendix 1 Uppdragsnr: 7501873350 Provtagningsdatum: 2017-08-08 Löp-nr: 48 Projekt: Riskinventering malmbanan Datum: 2017-08-23 Kornfördelning enl. SS-EN ISO 17892-4 och SS-EN ISO 17892-1 9/10 Sweco civil AB Rotorvägen 2b, 961 43 Boden mikael.sundberg@sweco.se 0920-355 33 Kornstorlek d (mm) 0,001 0,002 0,0063 0,02 0,063 0,2 0,63 2 6,3 20 63 200 100 90 80 70 60 Lera Silt Finsilt Mellansilt Grovsilt Sand Finsand Mellansand Grovsand Grus Fingrus Mellangrus Grovgrus Sten Passerande mängd, viktprocent 50 40 30 20 10 0 0,001 0,005 0,01 0,063 0,125 0,25 0,5 1 2 4 8 16 31,5 63 200 0,074 5,6 11,3 22,6 45 Vattenkvot 5,6% Sektion Borrhål M.L 1484+625 v Djup (m) Gäller mellan (m) Benämning Siktat Prov (g) Provbeteckning Glödgn.- förlust % Mtrl % > mm *=AMA Anläggning 13 Tjälfarlighet d10 d60 d90 0,0-1,0 GRUSMORÄN 1205 2/1* 0,162 8,035 17,674 1(1)

Uppdragsgivare: Thomas Bohman Gransk./Sign: Master Thesis Appendix 1 Uppdragsnr: 7501873350 Provtagningsdatum: 2017-08-09 Löp-nr: 48 Projekt: Riskinventering malmbanan Datum: 2017-08-23 Kornfördelning enl. SS-EN ISO 17892-4 och SS-EN ISO 17892-1 10/10 Sweco civil AB Rotorvägen 2b, 961 43 Boden mikael.sundberg@sweco.se 0920-355 33 Kornstorlek d (mm) 0,001 0,002 0,0063 0,02 0,063 0,2 0,63 2 6,3 20 63 200 100 90 80 70 60 Lera Silt Finsilt Mellansilt Grovsilt Sand Finsand Mellansand Grovsand Grus Fingrus Mellangrus Grovgrus Sten Passerande mängd, viktprocent 50 40 30 20 10 0 0,001 0,005 0,01 0,063 0,125 0,25 0,5 1 2 4 8 16 31,5 63 200 0,074 5,6 11,3 22,6 45 Vattenkvot 6,7% Sektion Borrhål M.L 1485+000 h Djup (m) Gäller mellan (m) Benämning Siktat Prov (g) Provbeteckning Glödgn.- förlust % Mtrl % > mm *=AMA Anläggning 13 Tjälfarlighet d10 d60 d90 1,0-4,3 Sandigt siltigt GRUS (Mg) 898 3B/2* 2,015 14,476 1(1)

Master Thesis Appendix 2 1/17

7 8 Master Thesis Appendix 5 1/8 70 60 Point B 30 km/h Lower GW 0,5 m wider emb. 1 m wider emb. Higher load 60 km/h 50 40 30 p excess [kn/m²] 20 10 0-10 -20-30 0 1 2 3 4 5 6 Time [s]

7 8 Point C Master Thesis Appendix 5 2/8 30 20 30 km/h Lower GW 0,5 m wider emb. 1 m wider emb. Higher load 60 km/h 10 p excess [kn/m²] 0-10 -20 0 1 2 3 4 5 6 Time [s]

7 8 Point D Master Thesis Appendix 5 3/8 40 30 30 km/h Lower GW 0,5 m wider emb. 1 m wider emb. Higher load 60 km/h 20 p excess [kn/m²] 10 0-10 0 1 2 3 4 5 6 Time [s]

7 8 Master Thesis Appendix 5 30 km/h Lower GW 0,5 m wider emb. 1 m wider emb. Higher load 60 km/h 4/8 20 18 Point E 16 14 12 p excess [kn/m²] 10 8 6 4 2 0-2 0 1 2 3 4 5 6 Time [s]

7 8 Point F Master Thesis Appendix 5 5/8 7 6 30 km/h Lower GW 0,5 m wider emb. 1 m wider emb. Higher load 60 km/h 5 4 p excess [kn/m²] 3 2 1 0-1 0 1 2 3 4 5 6 Time [s]

7 8 Point G Master Thesis Appendix 5 6/8 60 50 30 km/h Lower GW 0,5 m wider emb. 1 m wider emb. Higher load 60 km/h 40 p excess [kn/m²] 30 20 10 0 0 1 2 3 4 5 6 Time [s]

7 8 Point H Master Thesis Appendix 5 7/8 50 40 30 km/h Lower GW 0,5 m wider emb. 1 m wider emb. Higher load 60 km/h 30 p excess [kn/m²] 20 10 0 0 1 2 3 4 5 6 Time [s]

7 8 Master Thesis Appendix 5 30 km/h Lower GW 0,5 m wider emb. 1 m wider emb. Higher load 60 km/h 8/8 24 22 Point I 20 18 16 14 p excess [kn/m²] 12 10 8 6 4 2 0 0 1 2 3 4 5 6 Time [s]

Master Thesis Appendix 6 1/1 499 1 449/820 497 495 493-30,0-25,0-20,0-15,0-10,0-5,0 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0