The paper presents a comparison between a semi-implicit time integration linear finite element implementation and fully-implicit nonlinear Newton-Raphson finite element implementation of a triphasic small strain mixture formulation of an elastic partially saturated porous medium. The pore air phase pressure pa is assumed atmospheric, i.e., $p_a$ = 0, although the formulation and implementation are general to handle increase in pore air pressure as a result of loading, if needed. The solid skeleton phase is assumed linear isotropic elastic and partially saturated 'consolidation' in the presence of surface infiltration and traction is simulated. The verification of the implementation against an analytical solution for partially saturated pore water flow (no deformation) and comparison between the two implementations is presented and the important of the porosity-dependent nature of the partially saturated permeability is assessed on comparison with a commercial code for the partially saturated flow with deformation. As a result, the response of partially saturated permeability subjected to the porosity influences on the saturation of a soil, and the different behaviors of the partially saturated soil between staggered and monolithic coupled programs is worth of attention because the negative pore water pressure in the partially saturated soil depends on the difference.
Coupled finite element analysis is carried out to study the effect of degree of saturation on the vertical displacements and pore water pressures simultaneously by developing a FORTRAN90 code. The finite element formulation adopted in the present study is based upon Biot's consolidation theory to include partially saturated soils. Numerical methods are applied to a two-dimensional plane strain strip footing (flexible) problem and the effect of variable degree of saturation on the response of excess pore water pressure dissipation and settlement of the footing is studied. The immediate settlement in the case of partly saturated soils is larger than that of a fully saturated soil, the reason being the presence of pore air in partially saturated soils. On the other hand, the excess pore water pressure for partially saturated soil are smaller than those for fully saturated soil.
Based on thermodynamics, the mathematical framework governing the hydro-mechanical behavior of partially saturated soil is derived by using balance equations, and the numerical analysis through implementation of various effective stress definitions is performed. Effective stress on partially saturated soil describes the soil strength which is presented by the relationship between water content and soil suction. For the estimation of hydro-mechanical behavior on partially saturated soil, effective stress parameter ${\chi}$ defined from various literatures is especially analyzed to understand the conditions of constitutive equations regarding residual saturation and displacement of soil. As a result, effective stress parameter ${\chi}$ has an influence on the variation of matric suction in soil with an external load and seepage. However it was found that the effect of each parameter ${\chi}$ varies with residual degree of saturation, and that of each parameter ${\chi}$ decreased with decrease in displacement of soil caused by an external load.
Conventional numerical analysis for rainfall-induced slope stability has been estimated by separating seepage and stress-strain behavior, respectively. Many researchers' models from commercial softwares and literatures define that partially saturated permeability is the only function of degree of saturation (or matrix suction) and then they do not consider hydraulic-mechanical characteristics for the analysis. However, in practice, the water flow processes in a deformable soil are influenced by soil skeleton movement and the pore water pressure changed due to seepage will lead to changes in stress and to deformation of a soil. The relationship between seepage and soil behavior causes a change of partially saturated permeability as well as saturated permeability with the lapse of time. Instability of partially saturated soil slopes due to infiltration would be analyzed from reduction of negative pore water pressure calculating the process of water flow based on predicted partially saturated permeability. Therefore, partially saturated permeability should be defined by the function of degree of saturation (or matric suction) and porosity. The paper presents the comparison between staggered and monolithic coupled analysis regarding seepage and stress deformation problems. As a result, the decrease in matric suction on soil slope from monolithic analysis is slower than that from staggered analysis.
Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing
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v.30
no.6
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pp.539-547
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2010
In this study, characteristics of the fundamental longitudinal guided wave mode, L(0,1), which is a usual mode employed in the inspection of the above-ground pipe, of the buried pipe were numerically investigated considering property changes in the surrounding soil. Results showed that soil conditions are significantly affecting the attenuation of L(0,1) mode in the pipe embedded in soil. Especially, if the soil is partially saturated, the attenuation of L(0,1) mode is larger and is very similar regardless of the degree of water saturation in the surrounding soil. However, when the soil is fully saturated, the attenuation of L(0,1) mode is less and show different trend with its partially saturated counterparts.
Many geotechnical analyses require the investigation of water flow within partially saturated soil zone to incorporate the effect of climatic conditions. It is widely understood that the hydraulic properties of the partially saturated soil should be included in the transient seepage analyses. However, the characteristics of dual porosity soils with dual-mode water retention curve are normally modelled using single-mode mathematical equation for simplification of the analysis. In reality, the rainwater flow can be affected significantly by the dual-mode hydraulic properties of the soil. This paper presents the variations of safety factor for dual porosity soil slope with dual-mode water retention curve and dual-mode unsaturated permeability. This paper includes the development of the new dual-mode unsaturated permeability to represent the characteristics of soil with the dual-mode water retention curve. The finite element analyses were conducted to examine the role of dual-mode water retention curve and dual-mode unsaturated permeability on the variations of safety factor under rainfall loading. The results indicate that the safety factor variations of dual porosity soil slope modelled using the dual-mode water retention curve and the unsaturated permeability equation are lower than those of dual porosity slope modelled using single-mode water retention curve and unsaturated permeability equations.
A model of solid-water-air coupling in triphasic mixture is compared to that of solid-water coupling in biphasic mixture with an application to partially saturated soils. Based on thermodynamics, the mathematical framework governing the behavior of a partially saturated soil is derived by using balance equations, and numerical implementation through drainage experiment of a sand column is carried out to validate the obtained formulations. The role of the air phase in the hydro-mechanical behavior of triphasic mixture can be analyzed from the interaction among phases and from the solid skeleton's constitutive behavior, and the three-phase model found applications in geotechnical engineering problems, such as $CO_2$ sequestration and air storage in an aquifer.
Partially saturated permeability should be defined by the function of suction (or degree of saturation) and porosity. However, commercial software and most researchers' model often describe as the function of suction. The stability of a soil slope can be affected by both hydraulic and shear strength properties of partially saturated soils. For both studies, we generally use an uncoupled seepage analysis program Seep/W(Geo-Slope, 2007) and a series stress-deformation analysis program Sigma/W, or slope stability analysis program Slope/W. Seep/W is performed for simulations of partially saturated flow problems in non-deformable soil media. However, under real situations, the water flow processes in a deformable soil are influenced by soil skeleton movement and the pore water pressure changed due to seepage will lead to changes in stresses and to deformation of a soil. Many researchers are currently developing their models for solving coupled hydro-mechanical problems to simulate slope stability during a rainstorm. For a proper implementation in the field, the developed model should be still needed in order to achieve appropriate accuracy of the solution for coupled hydro-mechanical problems in soil slope stability. Thus, the paper presents the comparison of slope stability between uncoupled and coupled analyses of seepage and stress deformation problems.
Kim, Jae-Hong;Hwang, Woong-Ki;Song, Young-Suk;Kim, Tae-Hyung
Journal of the Korean Geotechnical Society
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v.28
no.4
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pp.91-100
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2012
Soil-water characteristic curves (SWCCs), which represent a physical property in partially saturated soils, show the relation between volumetric water content and matric suction. The SWCCs exhibit hysteresis during wetting and drying, however experimental expressions used to describe SWCCs have generally ignored the hysteresis. In addition, the shape of SWCC may depend on the void ratio which is changed by soil skeleton deformations or hysteretic behavior under various loading conditions. Hence, it is necessary to understand, both empirically and analytically, the relationship between soil skeleton deformations and the SWCCs of various soils. The typical SWCCs experimentally have drying, wetting, and the second drying curve. The measurement of a complete set of hysteretic curves is severely time-consuming and difficult works, then the first drying curve of SWCC is generally determined to estimate the hydraulic conductivity and shear strength function of partially saturated soils. This paper presents the hydraulic-mechanical behavior of partially saturated soils (weathered soil and silty soil) for volume changes and hysteresis in SWCCs regarding the difference between the first drying and wetting curve.
Limit equilibrium methods of slope stability analysis have been widely adopted mainly due to their simplicity and applicability. However, the conventional methods may not give reliable and convincing results for various geological conditions such as nonhomogeneous and anisotropic soils. Also, they do not take into account soil slope history nor the initial state of stress, for example excavation or fill placement. In contrast to the limit equilibrium analysis, the analysis of deformation and stress distribution by finite element method can deal with the complex loading sequence and the growth of inelastic zone with time. This paper proposes a technique to determine the critical slip surface as well as to calculate the factor of safety for shallow failure on partially saturated soil slope. Based on the effective stress field in finite element analysis, all stresses are estimated at each Gaussian point of elements. The search strategy for a noncircular critical slip surface along weak points is appropriate for rainfall-induced shallow slope failure. The change of unit weight by seepage force has an effect on the horizontal and vertical displacements on the soil slope. The Drucker-Prager failure criterion was adopted for stress-strain relation to calculate coupling hydraulic and mechanical behavior of the partially saturated soil slope.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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