Numerical Analysis of Soil Behavior and Stone

Columns Effects on the Railway Track

Dissertation

Zur Erlangung des akademischen Grades

Doktor-Ingenieur

an der Fakultät Bauingenieurwesen

der

Bauhaus-Universität Weimar

vorgelegt von

M.Sc. Mojtaba Shahraki

aus dem Iran

Gutachter:

1. Univ. Prof. Dr.-lng. K. J. Witt

2. Univ. Prof. Dr.-lng. habil. T. Wichtmann

3. Univ. Prof. Dr.-lng. F. Rackwitz

Tag der Disputation: 13. February 2019

Table of Contents Introduction ..................................................................................................................................... 1

2 State ofthe Art ................................................................................................................................ 3

2.1 Railway track systems ................................................................................................................... 3

2.2 Railway track superstructure ......................................................................................................... 3

2.2.1 • ....... „ •.••...•.. „„ ..••.••..•.•. „ .•. „ •...•....••...•................................ „ .•....•.......• „ ...........•............ „. 3

2.2.2 Pads ........................................................................................................................................ 4

2.2.3 Sleepers .................................................................................................................................. 4

2.3 Railway track substructure ........................................ „. „ ................................................... „. „ .. „. „ 5

2.3.l Ballast ...... „ .... „„.„„ .... „.„.„.„ ........ „„„ ............................................. „ .... „„„„ ..... „„„ ............. 5

2.3.2 Sub-ballast ......... „ ................................................................................................................... 5

2.3.3 Subgrade ................................................................................................................................. 6

2.4 Railway track loading.„ ..• „.„ ••.. „ ... „„ ... „„„ .. „„„„„.„.„.„ •.. „ .. „ .•..•• „ ..•.•. „„„ •.. „ •.• „„ .. „„.„.„„.„„„ 6

2.4.1 Loading types .... .......................................................... „.„.„ .. „.„„.„„ ... „ .... .... ................... ... .. 6

2.4.2 Static loading „„.„„.„ .. „„.„.„ ... „„.„ .. „„„„ .. .. „ ..................................... „„„„.„„.„.„„.„ ........... 6

2.4.3 Cyclic loading ...• „ •....• „.„ .... '„,, •.. „ ..• „ .•.•..•... „ ..... „ ... „.„„.„ ... „„.„ ....•. „ „„.„„ ....•. „„.„.„.„.„ •• „. 7

2.4.4 Dynamic loading ............................................ „ ......... „ ...................................................•.•..... 8

2.5 Analytical calculation ofthe railway frack.„.„„„„„„„„„„ .. „„„„„ ..•. „.„ .....•.. „„ ... „ .. „.„.„„„„„„ 10

2.5.l Beam on elastic foundation (BOEF) .................. „„„„„„ .. „ ..... „ ...... „ ................................... 10

2.6 Numerical railway track modeling ....................................................... „ ...... „ .. „. „„. „ „ ..... „ „ „ .... 12

2.6.1 General ................................................. ................. „ ............ „ ... „„„.„ ........ „ ......................... 12

2.6.2 Finite-element (FE) method „„„„ ..... „ .„„ ......................................................................... „ .. 12

2.6.3 Boundary-element (BE) method .... „ ... .••.. „ ...........................•... ..•.•....... „ ..... „„ •........ „.„ ..... „ 13

2.6.4 Scaled boundary finite element (SBFE) models.„ .................. „ ..... „ ... „ ... „„ ......... „„„„„ .... „ 14

2.6.5 Hybridmodels .................................... „ .............................................................................. „ 14

2.7 Linear and non-linear modeling ofrailway tracks ............. „.„.„ .. „„„ .. „„.„„„.„.„„„ .. „ .•... „.„„ ... 14

2.8 Ground improvement methods .................................................................................... „. „ ....... „ .. 15

2.9 Soil improvement under railway tracks .......................................................... „„.„ .. „ .. „„„„„.„ ... 17

2.10 Stone column analysis ... „ .... „ .. „ ... „ .... „ .... „ ............................................................................... 18

2.10.1 Analysis of embankment founded on stone columns .......................................... „„ .. „„„.„ 18

2.10.2 Circular sliding surface method .. „.„„ .• „ ... „„„„.„„ .. „„.; ... „„ ................... „ •. .... „„ •. „.„.„„„. 19

2.10.3 Average strength parameter method„ .. „„ .. „„„ ....... „.„„ .... „ .. „.„„.„ ...•... „ ..... „.„„„„.„. „ „ „ 20

vii

2.10.4 Profile method „„„ „„. „„. „„„„„ „ ... „. „ ... „. „. „„. „„. „ „„. „„. „.„ „ „. „ .„„ .„. „.„„. „„.„ „ „ „.„ „ „ 21

2.10.5 Comparison of analysis methods .„ „. „ „. „. „ „ .. „ „ „.„ „. „ „. „ „„.„ „„ .. „„.„. „ .„.„ „„„„. „ „ „ „ „. 22

3 Field Measurements „„. „ .„„ „„„„ „ „„. „ „ .. „ .„ „.„ .„ „. „„. „.„ „.„ „„. „ .„„ „.„„.„ .„ .„„.„„. „.„„„ „ „ „ „. 24

3.1 Introduction „„„„„.„.„„.„„.„„.„.„„„„„.„.„„ .. „„.„„ .. „„.„„„.„.„„„.„„„„.„.„.„„„„„„„„„„.„„„ .. 24

3.2 The first test site: Belgium .„„.„.„„„.„„„.„.„„.„.„.„„„„„„.„.„„.„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 24

3.2.1 Track and soil characteristics „„„„.„„.„„.„.„„.„.„„„„„„„„„„„„.„.„„.„.„„.„„.„„„„„„.„„„ 24

3.2.2 Trains ..... „ ............................................................................................................................. 26

3.2.3 'elllents.„.„„ .......................................... „ .................. „.„„„.„„.„ ......... „.„ .... „ ............ 27

3.3 The second test site: Germany „„.„„„„.„„.„.„„.„.„.„„.„„.„.„.„„.„„„.„„„.„„ .. „„„.„„„ .. „.„„.„„ 28

3.3.1 Track and soil characteristics .„„„.„„.„.„„.„.„„.„.„.„„.„„„.„.„„„.„.·„„„.„.„„„.„„„„.„„„„. 28

3.3.2 Railjet train ........................................................................................................................... 29

3.3.3 urements ...... „ ... „ ... „„ ....... „.„ .... „„ ............ „ ... „ ................ „„„ ............... „„ ....... „ .......... 30

4 Railway Track Numerical Simulation „.„„.„.„„.„.„.„„„ .. „„„ .. „„„.„„„„.„„.„.„„.„„.„„.„„„„„„„ 32

4.1 Introduction „„„„„„.„„„„„„.„.„.„.„„„„.„„.„„.„ .. „„„.„„ .. „„.„„„.„„„.„.„„„.„„„„„„„„.„„„„.„. 32

4.2 Three-dimensional modeling .. „.„„ ... „„„ .............. „ ...... „.„ ... „„.„„„.„„ ... „„.„.„.„„.„„„ .... „ .. „„„ 32

4.2.1 FEM specification „„.„„.„„.„„„„.„.„„.„„.„„ .. „„ .„„„ .. „„„.„„„„.„„ .. „„„ .. „„„„„.„.„„„„„ .. 32

4.2.2 Material properties ... „.„„ ... „ ... „ .. „ ... „.„.„ ... „ ... „.„„ .............. „.„ ....... „„ ...... „ ... „„ ..... „.„„„ ... 34

4.2.3 Loading procedure.„ ... „„.„„„ ... „.„„.„„ ... „.„ .... „ ..... „„ .... „ ..... „ ....... „ ............ „„ ........ „„„ ..... 35

4.2.4 Results ...................... ................. ....... ..... ... ................ ............. ............................................... 36

4.3 Two-dimensional modeling.„„.„„ ..... „„.„.„ ... „ ... „.„„ ... „.„.„.„„.„ .. „„ ........ „ ... „ .... „„„„.„ ... „„„. 39

4.3.1 Background „„„ ... „„„.„„„.„„.„.„„.„„.„„.„.„„.„.„„„.„.„.„„„.„„„„.„„.„.„.„.„„„.„„„.„„„„ 39

4.3.2 Superstructure„„.„„: .. „„ ... „„ ... „„.„.„„.„ ... „ ...... „ ... „.„ ... „ ..... „.„„ .. „.„.„„ ......... „ .. „.„ .. „„.„. 40

4.3.3 Substructure ... „„ .......... „„.„ ... „ ... „ ... „ ... „ ... „ .... „ ........ „ ...... „„ ... „„ ... „„ ......... „.„ ........... „ ...... 43

4.3.4 Sample calculation for the second site „.„.„.„„.„„„„„„.„„„„„„„„„.„„„„„„.„„.„„„.„„„.„. 46

4.3.5 Results .„„.„.„.„„.„„„.„„„.„.„„ .. . „„.„.„„.„„.„.„.„„„.„„.„.„„„.„„„ .. „„„.„.„„„.„„„„„„.„.„ 48

5 Stone Column Numerical Simulation ............................ „ ... „ ...... „ ..... „„ ... „„.„ ........ „~·················· 51

5.1 lntroduction „„ ..... „ ... „„„.„„ ... „„.„„.„.„„„.„.„„ ... „.„ ... „ ... „ ... . „„„ ... „„„.„.„.„„.„ ... „„„„„ .. „„„ .. 51

5.2 Unit cell approach ........ „.„„ ... „„.„„ .. „ .... „.„.„„.„.„„.„„.„„.„ ....... „.„„„„.„.„.„ .„.„„„.„„„„„.„ .. 51

5.2.1 General study ...................................................... ........ : .......... ............................................... 51

5.2.2 Parametric study .„ .. „„.„„.„„„„„.„.„„.„„.„„.„.„„.„„.„.„.„„„„.„„„„.„.„.„„.„„.„„„.„„„„„. 54

5.3 Plane strain modeling .„.„.„„.„„„.„„„„.„„„.„„.„.„.„„.„„.„„.„„.„„„.„„„.„.„„.„.„„.„„„„.„„„„. 59

5.3.1 Geometry and material properties „„.„„„.„.„„„„„„„.„.„„.„„„.„„.„„„.„.„„„„„„„.„„„„„„. 59

5.3.2 Effect oflateral earthpressure„.„„„ ... „„„.„ ........ „ ........... „ ....... „ .................... „ ...... ~ ............ 60

vm

5.4 Arrangement of stone columns beneath a railway track„ ..... „ .................... „ ....................... „ ... „. 61

6 Stone Columns under Railway Tracks .„ ..... „„„ .. „„„„„ .... ·„ ..... „„ .... „„ .. „„„„ .. „„„„„ ..... „„ .. „„ .... 65

6.1 Introduction ........ „ ................................................... „ ......................................................... „ ....... 65

6.2 Numerical simulation .............................................. „ .................................................................. 66

6.2.l Properties of the track and train .. „ ... „„ ... „„„ ... „.„„.„.„ .... „„ ... „„„ ..... „.„„ ... „„ .. „ .. „ .. „.„„.„ 66

6.2.2 Verification of developed 2D model .„ .......... „ .... „„.„ ....... „ .. „ .... „ ... „„ ... „„ „ .... „ „„„ ..... „ „ .. 68

6.3 Effect of stone columns ... „ „. „.„ .. „„ ......... „ ........ „ ..................... „„ ... „„ ..... „.„. „ .. „ .. „ ... „ ...... „ ... „ 69

6.3.1 Horizontal and vertical displacement ....... „ .... „ ....... „ ... „ ............... „.„.„ .. „ ...... „.„ ... „.„ .. „„„ 69

6.3.2 Reduction of induced vibrations .... „ ... „ .. .. „ .. „„ .... „.„ ... „„.„„ ...... „ ...... „ .. „ ........................... 71

6.3.3 Change in pore water pressure .„ ... „ .......... „„„ ...... „ ..... „ ... „„ ... „ ........ „ ...... „ ... „ ........ „ .. „„„. 73

6.4 Elastic response ofthe railway track „ .. „ ..... „ ...... „ ................. „ ... „„ .. „ .. „ .. „.„„ .... „ ..... „ ... „ .. „.„ .. 75

6.5 Effects of train speed and stone-column length on track response ............ „ ................... „„ ......... 82

6.6 Non-linear response of the railway track ......... „ ............................... „ ............. „.„ ... „ ............... „. 86

6.7 Application of geosynthetics .................................................................................................... „. 92

6.8 Failure mechanism of stone columns ..... „„ .... „ ... „ ............... „„ .... „ ..... „.„ ........... „ ............. „ ....... 93

7 Summary and Conclusions .„„ .......... „ ... „.„„.„„ .... „ .. „ .. „ ..... „ .. „„ ........ „„ ... „ .... „„.„.„.„ .. „.„„„„ .. 95

8 Further Research Topics ................................................................................................................ 98