Numerical analyses of the optimum length of stone columns and their encasements

Abstract

Stone columns are vertical inclusions in soft soils formed by gravel. In very soft soils, they may be wrapped typically with a geotextile to increase its lateral capacity. In the latter case, they are usually named encased stone columns. Their critical or optimum length may be defined as the one where further lengthening of the column provides a negligible improvement and it is therefore not cost-effective to build columns longer than it. Besides, for encased stone columns, the optimum length of the encasement is also relevant. In previous finite element analyses, the authors have studied the column and encasement critical length considering a uniform soft soil layer with a linear elastic perfectly plastic behaviour for simplicity. For those cases, the optimum column length is around 1.5-2.0 times the footing diameter for encased stone columns, and slightly lower for ordinary stone columns, namely around 1.5. These critical lengths should be related to the loaded area and not to the column diameter. Here, the authors extend those previous analyses using a constitutive model that considers a stress-dependent soil stiffness, namely the Hardening Soil model. The results are very similar, but columns are slightly more effective when considering stress-dependent stiffness and the optimum column length is slightly lower. Finally, the critical length of the encasement is found to be slightly lower than the critical column length.

Les colonnes ballastées sont des inclusions verticales dans les sols mous, composées de gravier. Dans les sols très mous, elles peuvent être enveloppées dans un géotextile pour augmenter leur capacité latérale. Dans ce dernier cas, elles sont généralement appelées colonnes ballastées enveloppées. Leur longueur critique ou optimale peut être définie comme celle où un allongement supplémentaire de la colonne apporte une amélioration négligeable, donc il n’est pas rentable de les construire plus longues. En plus, pour les colonnes ballastées enveloppées, la longueur optimale du géotextile est également importante. Dans les analyses précédentes, les auteurs, pour simplifier, ont étudié la longueur critique de la colonne et du géotextile en considérant, une couche de sol uniforme avec un comportement élastique parfaitement plastique. Dans ces cas, la longueur optimale de la colonne est d'environ 1.5-2.0 fois le diamètre de la semelle pour les colonnes ballastées enveloppées, et légèrement inférieure pour les colonnes ballastées classiques, à savoir environ 1,5. Ces longueurs critiques devraient être liées à la surface chargée et non au diamètre de la colonne. Ici, les auteurs étendent ces analyses précédentes en utilisant un modèle de comportement du sol qui prend en compte leur rigidité en fonction des contraintes, le modèle Hardening Soil. Les résultats sont très similaires, mais les colonnes sont légèrement plus efficaces lorsque l'on considère une rigidité dépendante de la contrainte, et la longueur optimale est légèrement inférieure. Enfin, la longueur critique du géotextile est légèrement inférieure à la longueur critique de la colonne.