Optimized Design of Foundation on Soil Reinforced by Stone Columns

Abstract

Floating stone columns offer a viable solution for stabilizing soft compressible soils, in geotechnical engineering, particularity when end-bearing columns are impractical. This research addresses floating stone columns, whose toes do not reach a competent stratum, filling a critical gap in the literature by developing optimized design methodologies, aiming to achieve structural performance and cost efficiency.

Using the unit cell concept, large groups of floating stone columns were simulated using Plaxis2D software to analyze settlement behavior and long-term performance in fully saturated soils.

A novel analytical method based on Terzaghi’s one-dimensional consolidation theory was developed to ensure that the length and area improvement ratio meet allowable settlement limits. The method was applied to a real case study for a project in Tunisia, with the design optimized to satisfy unreinforced sublayer deformation beneath the column toe and consolidation time, when required, rather than focusing solely on the magnitude of settlement.

Field data from case studies at Béjaïa and Algiers harbors provided practical validation, highlighting that the area improvement ratio plays a more critical role in reducing settlements. Results revealed that designs considering long-term conditions required a 40% increase in the area improvement ratio compared to those considering only immediate settlement, emphasizing the importance of addressing slow water dissipation in compressible soils and accounting for load levels in the design process.

This research provides geotechnical engineers with practical design guidelines and validated methodologies for optimizing floating stone column designs, offering cost-effective and technically robust solutions to enhance foundation stability on compressible soils. ------------------------------------------------------------------------------- تُعدّ الأعمدة الحجرية العائمة حلاً فعالًا لضمان استقرار التربة الطرية القابلة للانضغاط في مجال الهندسة الجيوتقنية، خصوصًا عندما تكون الأعمدة المرتكزة على طبقة صلبة غير ممكنة. تتناول هذه الدراسة الأعمدة الحجرية العائمة التي لا تصل قواعدها إلى طبقة صلبة، مما يملأ فجوة في الأدبيات العلمية من خلال تطوير منهجيات تصميم محسّنة تهدف إلى تحقيق الأداء الهيكلي والكفاءة الاقتصادية.

باستخدام مفهوم الخلية الواحدة، تم محاكاة مجموعات كبيرة من الأعمدة الحجرية العائمة باستخدام برنامج Plaxis2D لتحليل سلوك الهبوط والأداء طويل المدى للتربة المشبعة بالكامل.

تم تطوير طريقة تحليلية مبتكرة تعتمد على نظرية التشديد أحادي الأبعاد ل Terzaghi لضمان أن تلبي نسبة تحسين المساحة وطول الأعمدة حدود الهبوط المسموح بها. وقد تم تطبيق الطريقة على دراسة حالة واقعية لمشروع في تونس العاصمة، حيث تم تحسين التصميم بحيث تضمن تشوه الطبقات غير المعززة أسفل قاعدة الأعمدة ضمن الحدود المقبولة، مع مراعاة وقت التوطيد عند الحاجة، بدلاً من التركيز فقط على مقدار الهبوط.

وفرت البيانات الميدانية من دراسات الحالات في مرفئي بجاية والجزائر العاصمة مصادقة عملية على طريقة مقترحة لتحسين التصاميم، حيث أبرزت النتائج أن نسبة تحسين المساحة تلعب دورًا أكثر أهمية في تقليل معدلات الهبوط. وأظهرت النتائج أن التصاميم التي تأخذ في الاعتبار الظروف طويلة الأمد تتطلب زيادة بنسبة 40٪ في نسبة تحسين المساحة مقارنةً بالتصاميم التي تراعي فقط الهبوط الفوري، مما يبرز أهمية مراعاة تباطؤ تصريف المياه في التربة القابلة للانضغاط وأخذ مستويات الأحمال بعين الاعتبار في عملية التصميم.

تُقدّم هذه الدراسة إرشادات عملية للمهندسين الجيوتقنيين ومنهجيات تصميم مثبتة لتحسين تصميم الأعمدة الحجرية العائمة، مما يوفر حلولًا اقتصادية وتقنية لتعزيز استقرار الأساسات على التربة القابلة للانضغاط. --------------------------------------------------------------------------------

Les colonnes ballastées flottantes représentent une solution viable pour stabiliser les sols mous compressibles en ingénierie géotechnique, notamment lorsque les colonnes à base d’appui sont impraticables. Cette recherche se concentre sur les colonnes flottantes, dont les pointes ne reposent pas sur un substratum rigide, comblant une lacune critique dans la littérature en développant des méthodologies de conception optimisées visant à atteindre à la fois des performances structurelles et efficacité économique.

En utilisant le concept de cellule unitaire, de grands groupes de colonnes flottantes ont été simulés à l'aide du logiciel Plaxis2D afin d’analyser le comportement au tassement et la performance à long-terme dans des sols totalement saturés.

Une méthode analytique novatrice, basée sur la théorie de la consolidation unidimensionnelle de Terzaghi, a été développée pour garantir des conceptions optimisées dans le cadre d’un projet réel en Tunisie, en respectant à la fois les tassements admissibles de la couche sous-jacente et, lorsque nécessaire, le temps de consolidation, plutôt que de se limiter à la seule estimation de l’amplitude du tassement.

Les études de cas menées aux ports de Béjaïa et d'Alger ont permis de valider pratiquement une méthode de conception optimisée, soulignant que le taux de substitution joue un rôle crucial dans la réduction des tassements. Les résultats ont montré que les conceptions prenant en compte les conditions à long-terme nécessitant une augmentation de 40% du taux de substitution par rapport à celles basées uniquement sur le tassement immédiat, soulignant l'importance d'intégrer la dissipation lente de l'eau et les niveaux de charge dans les conceptions.

Cette recherche offre aux ingénieurs géotechniciens des directives pratiques et des méthodologies validées pour optimiser la conception des colonnes ballastées flottantes, proposant ainsi des solutions techniquement robustes et économiquement avantageuses pour améliorer la stabilité des fondations sur sols compressibles.