Coupled modelling and sustainability assessment of polymeric reinforced soil retaining structures subjected to environmental conditions

Abstract

(English) The focus of this Thesis are reinforced soil structures with polymeric (or geosynthetic) reinforcement elements. These materials are known for their rate-dependent behaviour, that is, time, load, temperature, and, to some extent, humidity, will affect their mechanical response. Depending on the geographic location of the structure, in-air and in-soil conditions can vary widely in temperature values and moisture content. Moreover, current climate change conditions, which are only expected to worsen with time, have shown drastic changes in local and global climate patterns, highlighting the need to better understand the response of reinforced soil structures to changing conditions. Coupled (thermo-hydraulic) numerical simulations were carried out to better understand how atmospheric climate influences in-soil conditions of a reinforced soil mass, namely, temperature, moisture content, and degree of saturation. Results allow for a better understanding on in-soil response to changing atmospheric conditions, as well as a valuable precursor for future coupled modelling attempts. Pullout tests were carried out using polyester strap reinforcements to study the effect of in-soil temperature in the soil-reinforcement response (i.e., pullout strength and friction interaction factors). Likewise, different geometries, vertical pressures, and installation techniques were tested to evaluate the overall pullout response of strap reinforcements, possible damages due to displacements and their consequences in the long-term, as well as reinforcement stiffness and extensibility. Results are useful in practical- and research-related fields as they allow to determine the soil-reinforcement interaction factor in a wide range of conditions and provide a better understanding of the temperature dependencies in the mechanical response of polyester. Polymeric materials will suffer from long-term deformations when subjected to constant load conditions. This phenomenon, also known as creep, will depend on the load level as well as temperature conditions. Analytical and numerical models usually rely on the selection of a single stiffness value to determine the response of polymeric materials. The selection of this value is not trivial, as it will depend on time, load, and temperature. With the aim of providing a numerical tool to simulate the long-term response of reinforced soil structure, a coupled viscoplastic constitutive model with temperature, load, and relative humidity dependencies was developed. Model parameters were calibrated using a wide dataset of laboratory measured creep master curves and later implemented in a finite element software. Polymeric materials cover a wide range of solutions in the fields of civil, mining, and geotechnical engineering. A key advantage of these materials is their reduced environmental impact, attributed to reductions in the use of granular material and subsequent transportation efforts. This Thesis goes a step beyond environmental impacts and into sustainability assessments of reinforced soil walls. For this, different facing elements and backfill material alternatives were analysed. Assessments include environmental, social/functional, and economic requirements. A probabilistic approach was used for the environmental and economic requirements. Results use idealized scenarios to evidence the advantages and/or disadvantages of different alternatives for reinforced soil walls with rigid facings. Finally, the procedure and results serve as example and/or starting point for future sustainability assessments, which are expected to be determining in future infrastructure projects.

(Català) Aquesta Tesi doctoral es centra en les estructures de sòl reforçat amb elements de reforç polimèrics (o geosintètios). Aquest tipus de materialha mostrat tenir una resposta mecànica dependent del temps, la càrrega, la temperatura i, fins a un cert punt, la humitat. Depenent de la ubicació geogràfica de l'estructura, les condicions ambientals de temperatura i humitat a l'aire i al sòl poden variar àmpliament. A més, les condicions actuals de canvi climàtic, que es preveu que empitjorin amb el temps, han mostrat canvis dràstics en els patrons climàtics locals i globals, donant especial importància a un millor i major coneixement sobre la resposta de totes les estructures de sòl reforçat sotmeses a diferents condicions climàtiques. Dins del marc de la Tesi, s'han dut a terme simulacions numèriques termo-hidràuliques per a comprendre com influeixen diferents climes en les condicions internes de temperatura, contingut d'humitat i grau de saturació d'una massa de sòl reforçat.. Els resultats permeten comprendre millor la resposta del sòl als canvis de les condicions atmosfèriques i constitueixen un valuós precursor per a futurs intents de modelització acoblada. Es van realitzar assajos d'extracció utilitzant bandes polimèriques de reforç compostes de polièster per a estudiar l'efecte de la temperatura del sòl en la resposta mecànica de la interacció sòl-reforç (és a dir, la resistència a l'extracció i la deformació del reforç així com els factors d'interacció friccionals resultants). Així mateix, es van considerar diferents geometries, pressions verticals i procediments d'instal·lació per avaluar la resposta global a l'arrencament dels reforços, i els possibles danys deguts als desplaçaments, així com la rigidesa i extensibilitat del reforç. Els resultats són útils tant per a l’entorn científic com professional, ja que permeten determinar el factor d'interacció sòl-reforç en una àmplia gamma de condicions, així com proporcionar una millor comprensió de les dependències de la temperatura en la resposta mecànica dels reforços de polièster. Enfront d'escenaris de càrrega constant, els materials polimèrics presenten deformacions a llarg termini. Aquest fenomen, conegut com fluència (o fluència lenta), dependrà del nivell de càrrega, el temps, i les condicions de contorn (per exemple, de la temperatura). Els models analítics i numèrics solen basar-se en la selecció d'un valor de rigidesa únic per a determinar la resposta d'estructures de sòl reforçat. La selecció d'aquest valor no és trivial. Amb l'objectiu de proporcionar una eina numèrica per a simular la resposta a llarg termini d'estructures de sòl reforçat, es va desenvolupar un model constitutiu visco-plàstic acoblat amb dependències de temperatura, càrrega tensional i humitat relativa. Els paràmetres del model es van calibrar utilitzant un ampli conjunt de mesures al laboratori i, posteriorment, es van implementar en un programari d'elements finits. Els materials polimèrics abasten una àmplia gamma de solucions en els camps de l'enginyeria geotècnica. Un avantatge clau d'aquests materials és el seu reduït impacte ambiental, atribuït a la reducció de l'ús de material de reblert i els consegüents esforços de transport d'aquest. Aquesta Tesi doctoral va un pas més enllà de l'impacte ambiental, centrant-se en l'avaluació de la sostenibilitat dels murs de sòl reforçat amb paraments rígids. Per a això, s'han analitzat diferents elements de revestiment (paraments) i alternatives de material de reblert. Les avaluacions inclouen requisits mediambientals, socials/funcionals i econòmics. Per als requisits mediambientals i econòmics es va utilitzar un enfocament probabilístic. Els resultats utilitzen escenaris idealitzats per a evidenciar els avantatges i/o desavantatges de diferents alternatives. Finalment, el procediment i els resultats serveixen d'exemple i/o punt de partida per a futures avaluacions de sostenibilitat, que s'espera siguin determinants en futurs projectes geotècnics.

(Español) Esta Tesis se centra en las estructuras de suelo reforzado con elementos de refuerzo poliméricos (o geosintéticos). Este tipo de materiales ha mostrado tener una respuesta mecánica dependiente del tiempo, la carga, la temperatura y, hasta cierto punto, la humedad. Dependiendo de la ubicación geográfica de la estructura, las condiciones de temperatura y humedad relativa en el aire y en el suelo pueden variar ampliamente. Además, las condiciones actuales de cambio climático, que se prevé empeoren con el tiempo, han mostrado cambios drásticos en los patrones climáticos locales y globales. Dichos cambios generan una necesidad inmediata de comprender como responderán las estructuras de suelo reforzado sometidas a diferentes condiciones climáticas. Dentro del marco de la Tesis, se llevaron a cabo simulaciones numéricas termo-hidráulicas para comprender cómo influyen diferentes climas (o condiciones atmosféricas) en las condiciones internas de una masa de suelo reforzado, es decir, la temperatura, el contenido de humedad y el grado de saturación. Los resultados permiten comprender mejor la respuesta del suelo a los cambios de las condiciones atmosféricas y constituyen un valioso precursor para futuras modelizaciónes. Se realizaron ensayos de extracción utilizando refuerzos de bandas de poliéster para estudiar el efecto de la temperatura del suelo en la respuesta suelo-refuerzo (es decir, la resistencia a la extracción y los factores de interacción de fricción). Asimismo, se consideraron diferentes geometrías, presiones verticales y técnicas de instalación para evaluar la respuesta global al arrancamiento de los refuerzos, los posibles daños debidos a los desplazamientos, así como la rigidez y extensibilidad del refuerzo. Los resultados son útiles tanto de un punto de vista científico y profesional, permitiendo determinar el factor de interacción suelo-refuerzo en una amplia gama de condiciones, y proporcionando una mejor comprensión de las dependencias térmicas en refuerzos de poliéster. Frente a escenarios de carga constante, los materiales poliméricos presentarán deformaciones a largo plazo. Este fenómeno, también conocido como fluencia (o fluencia lenta), dependerá del nivel de carga, el tiempo, y las condiciones de del entorno (por ejemplo, temperatura). Los modelos analíticos y numéricos suelen basarse en la selección de un valor de rigidez único para determinar la respuesta de estructuras de suelo reforzado. La selección de este valor no es trivial. Se desarrolló un modelo constitutivo viscoplástico acoplado con dependencias de temperatura, carga y humedad relativa enfocado en la simulación de la despuesta a largo plazo de refuerzos poliméricos. Los parámetros del modelo se calibraron utilizando un amplio conjunto de datos de curvas maestras de fluencia medidas en laboratorio y posteriormente se implementaron en un software de elementos finitos. Los materiales poliméricos abarcan una amplia gama de soluciones en la ingeniería geotécnica. Una ventaja clave de estos materiales es su reducido impacto ambiental, atribuido a la reducción del uso de material de relleno y los consiguientes esfuerzos de transporte del mismo. Esta Tesis va un paso más allá del impacto ambiental, centrándose en la evaluación de la sostenibilidad de los muros de suelo reforzado. Para ello, se han analizado diferentes elementos de revestimiento y alternativas de material de relleno. Las evaluaciones incluyen requisitos medioambientales, sociales/funcionales y económicos. Para los requisitos medioambientales y económicos se utilizó un enfoque probabilístico. Los resultados utilizan escenarios idealizados para evidenciar las ventajas y/o desventajas de diferentes alternativas para muros de suelo reforzado con paramentos rígidos. Por último, el procedimiento y los resultados sirven de ejemplo y/o punto de partida para futuras evaluaciones de sostenibilidad, que se espera sean determinantes en futuros proyectos geotécnicos.