Numerical analysis of the improvement of dredged mud using prefabricated vertical drains

Abstract

In this study, the consolidation behavior of high water content dredged slurry deposited in the Alibeyköy quarries after being dredged from the Golden Horn (Haliç) region of İstanbul and improved using prefabricated vertical drains (PVDs) was numerically investigated using PLAXIS 2D. In order to represent the three-dimensional radial drainage behavior under two-dimensional plane strain conditions, equivalent transformation approaches were adopted and their results were compared. Parametric analyses were conducted to evaluate the effects of drain spacing (s), drain length ratio (L/H), permeability ratio (kₕ/kₛ), and smear ratio (dₛ/dw) representing mandrel-induced disturbance on the consolidation time, settlement, and excess pore water pressure dissipation. Since field monitoring data were not available, the applied modeling approach was verified against reference studies reported in the literature. The findings indicate that the degree of smear and drain spacing significantly influence the rate of consolidation, and that the approach explicitly incorporating smear zone and well resistance effects yields more conservative predictions.

Keywords

• prefabricated vertical drains
• smear zone
• dredged mud
• consolidation
• numerical analysis

Tarama çamurunun prefabrike düşey drenler kullanılarak iyileştirilmesinin sayısal analizi

Abstract

Bu çalışmada, İstanbul Haliç bölgesinden taranarak Alibeyköy taş ocaklarına depolanan yüksek su muhtevalı tarama çamurunun prefabrike düşey drenler (PDD) kullanılarak iyileştirilmesi sonrasında oluşan konsolidasyon davranışı PLAXIS 2D ile sayısal olarak incelenmiştir. Üç boyutlu radyal drenaj davranışını iki boyutlu düzlem şekil değiştirme koşullarında temsil edebilmek amacıyla eşdeğer dönüşüm yaklaşımları kullanılmış ve elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır. Parametrik analizlerde dren aralığı (s), dren boyu oranı (L/H), geçirgenlik oranı (kₕ/kₛ) ve mandrel etkisini temsil eden örselenme oranının (dₛ/dw) konsolidasyon süresi, oturma ve aşırı boşluk suyu basıncının sönümlenmesi üzerindeki etkileri değerlendirilmiştir. Saha ölçüm verileri bulunmadığından, uygulanan modelleme yaklaşımı literatürde rapor edilen referans çalışmalarla doğrulanmıştır. Bulgular, örselenme derecesi ve dren aralığının konsolidasyon hızını önemli ölçüde etkilediğini ve örselenmiş bölge ile kuyu direnci etkilerini açıkça dikkate alan yaklaşımın daha güvenli/tutucu tahminler verdiğini göstermektedir.

Keywords

• Prefabrike düşey drenler
• örselenmiş bölge
• tarama çamuru
• konsolidasyon
• sayısal analiz

References

1. Hansbo, S., Consolidation of fine-grained soils by prefabricated drains, Proceedings of the 10th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, 3, 677–682, Stockholm, (1981).
2. Chai, J. C., Bergado, D. T., Miura, N. ve Sakajo, S., Back calculated field effect of vertical drain, Proceedings of the 2nd International Conference on Soft Soil Engineering, 1, 270–275, Nanjing, (1996).
3. Chai, J. C. ve Miura, N., Investigation of factors affecting vertical drain behavior, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 125, 3, 216–226, (1999).
4. Sharma, J. S. ve Xiao, D., Characterization of a smear zone around vertical drains by large-scale laboratory tests, Canadian Geotechnical Journal, 37, 6, 1265–1271, (2000).
5. Holtz, R. D., Shang, J. Q. ve Bergado, D. T., Soil improvement, in Rowe, R. K., Geotechnical and Geoenvironmental Engineering Handbook, Springer, 429–462, Boston, MA, (2001).
6. Basu, D. ve Prezzi, M., Design of prefabricated vertical drains considering soil disturbance, Geosynthetics International, 16, 3, 147–157, (2009).
7. Rujikiatkamjorn, C. ve Indraratna, B., Analytical solution for radial consolidation considering soil structure characteristics, Canadian Geotechnical Journal, 52, 7, 947–960, (2015).
8. Hird, C. C., Pyrah, I. C., Russell, D. ve Cinicioglu, F., Modelling the effect of vertical drains in two-dimensional finite element analyses of embankments on soft ground, Canadian Geotechnical Journal, 32, 5, 795–807, (1995).

9. Indraratna, B. ve Redana, I. W., Plane-strain modeling of smear effects associated with vertical drains, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 123, 5, 474–478, (1997).
10. Shinsha, H., Hara, H., Abe, T. ve Tanaka, A., Consolidation settlement and lateral displacement of soft ground improved by sand-drains, Tsuchi-to-Kiso, 30, 5, 7–12, (1982).
11. Nguyen, B. P., Yun, D. H. ve Kim, Y. T., An equivalent plane strain model of PVD-improved soft deposit, Computers and Geotechnics, 103, 32–42, (2018).
12. Chai, J., Bergado, D. T. ve Shen, S. L., Modelling prefabricated vertical drain improved ground in plane strain analysis, Proceedings of the Institution of Civil Engineers - Ground Improvement, 166, 2, 65–77, (2013).
13. Tan, S. A., Hyperbolic method for settlements in clays with vertical drains, Canadian Geotechnical Journal, 31, 1, 125–131, (1994).
14. Maleki, M., Alielahi, H. ve Rahmani, I., Effect of smear zone characteristics on PVD-improved soft soils using field data and numerical simulations, Indian Geotechnical Journal, 52, 6, 1391–1409, (2022).
15. Biçer, P., Kılıç, H. ve Özener, P., Depolanmış tarama çamurlarının sıkışabilirlik ve mukavemet davranışının laboratuvar ve arazi deneyleri ile incelenmesi, Teknik Dergi, 32, 1, 10515–10539, (2021).
16. Metropol Mühendislik, İstanbul ili, Eyüp ilçesi, Yeşilpınar Mahallesi/Alibeyköy sınırlarında planlanan İstanbul Tema Parkı ve Eğlence Merkezi zemin etüd raporu, Zemin Etüd Raporu, Samsun, (2011).
17. İpekoğlu, P., Atık çamur sahalarının rehabilitasyonu, Doktora Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, (2004).
18. Çınar, A., Trakya formasyonunda yapılan öngermeli ankrajlı derin kazıların sonlu elemanlar ile modellenmesi, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, (2010).
19. Saowapakpiboon, J., Bergado, D. T., Voottipruex, P., Lam, L. G. ve Nakakuma, K., PVD improvement combined with surcharge and vacuum preloading including simulations, Geotextiles and Geomembranes, 29, 1, 74–82, (2011).
20. Santamaria, A. J., Finite element analysis of PV drains for a test embankment on soft clay, Yüksek Lisans Tezi, University of New Hampshire, Department of Civil Engineering, Durham, New Hampshire, (2015).
21. Bentley Systems, PLAXIS 2D, Bilgisayar Yazılımı, Bentley Systems, (2024).
22. Doğan, A. H., Yumuşak zeminlerde prefabrik düşey drenler ile zemin iyileştirmesinin sayısal incelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Tekirdağ Namık Kemal Üniversitesi, Tekirdağ, (2026).
23. Soavinjanahary, A. T., Two-dimensional numerical analysis of PVDs under an embankment with different matching methods, Yüksek Lisans Tezi, Çukurova Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İnşaat Mühendisliği Anabilim Dalı, Adana, (2024).
24. Chai, J. C., Shen, S. L., Miura, N. ve Bergado, D. T., Simple method of modeling PVD-improved subsoil, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 127, 11, 965–972, (2001).
25. Rajesh, B. G., Chukka, S. K. ve Dey, A., Finite element modeling of embankment resting on soft ground stabilized with prefabricated vertical drains, Geotechnical Engineering Journal of the SEAGS & AGSSEA, 49, 4, 63–72, (2018).
26. Indraratna, B. ve Redana, I. W., Laboratory determination of smear zone due to vertical drain installation, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 124, 2, 180–184, (1998).
27. Basu, P., Basu, D. ve Prezzi, M., Analysis of PVD-enhanced consolidation with soil disturbance, Proceedings of the Institution of Civil Engineers - Ground Improvement, 163, 4, 237–249, (2010).
28. Basu, D. ve Prezzi, M., Effect of the smear and transition zones around prefabricated vertical drains installed in a triangular pattern on the rate of soil consolidation, International Journal of Geomechanics, 7, 1, 34–43, (2007).