Investigation of compression and recompression indices in clayey soil using factorial design

Abstract

The compressibility of clayey soils is a crucial aspect of geotechnical engineering, particularly in Tebessa province where settlement issues are prevalent. This dissertation investigates soil compression indices using full factorial design (FFD) techniques embedded within the well-known design of experiment (DoE) methodology. Physical and mechanical data has been collected from the studied area, including geological and hydrogeological studies, theoretical frameworks, numerical simulation and advanced statistical methods. The study employs various statistical predictive tools to accurately define compression and recompression indices (Cc and Cs), as well as the overconsolidation ratio (OCR). Principal Component Analysis (PCA) and regression analysis distill complex data sets into meaningful insights. The DoE methodology, including FFD and Response Surface Methodology (RSM), facilitates systematic investigation and optimization of experimental conditions to obtain the best-fit predictive models with high correlation coefficients R of 0.85 up to 0.93 for all different obtained models, it is concluded from this investigation that the main input parameters Cc, Cs and OCR are dependent parameters yielded high correlation to Atterberg limits void ration and dry unit weight and initial vertical stress. For the validation step in this investigation, samples were prepared from the studied area and analyzed in a soil mechanics laboratory to obtain the target parameters for model dependency. The obtained results aligned accurately with those issue from models using the mentioned methodology. Numerical simulations using finite element analysis confirmed very close settlement results compared to those calculated using the predictive models for the compression indices of the studied soil. Résumé La compressibilité des sols argileux est un aspect crucial de l'ingénierie géotechnique, en particulier dans la province de Tébessa où les problèmes de tassement sont répandus. Cette thèse étudie les indices de compression du sol à l'aide de techniques de plan factoriel complet intégrées à la méthodologie bien connue du plan d'expérience. Des données physiques et mécaniques ont été collectées dans la zone étudiée, notamment des études géologiques et hydrogéologiques, des cadres théoriques, des simulations numériques et des méthodes statistiques avancées. L'étude utilise divers outils statistiques prédictifs pour définir avec précision les indices de compression et de recompression (Cc et Cs), ainsi que le taux de surconsolidation. L'analyse en composantes principales (ACP) et l'analyse de régression distillent des ensembles de données complexes en informations significatives. La méthodologie conception d'expériences, y compris la méthodologie plan factoriel complet et la méthodologie de surface de réponse, facilite l'investigation systématique et l'optimisation des conditions expérimentales pour obtenir les modèles prédictifs les mieux adaptés avec des coefficients de corrélation élevés R de 0,85 à 0,93 pour tous les différents modèles obtenus, conclut-on. Cette étude selon laquelle les principaux paramètres d'entrée Cc, Cs et OCR sont des paramètres dépendants a donné une forte corrélation avec les limites d'Atterberg, le taux de vides, le poids unitaire sec et la contrainte verticale initiale. Pour l'étape de validation de cette enquête, des échantillons ont été préparés dans la zone étudiée et analysés dans un laboratoire de mécanique des sols afin d'obtenir les paramètres cibles pour la dépendance au modèle. Les résultats obtenus s'alignent avec précision sur ceux issus des modèles utilisant la méthodologie mentionnée. Les simulations numériques par analyse par éléments finis ont confirmé des résultats de tassement très proches de ceux calculés à l'aide des modèles prédictifs des indices de compression du sol étudié ملخص تُعد قابلية انضغاط التربة الطينية جانباً مهماً في الهندسة الجيوتقنية، وخاصة في ولاية تبسة حيث تنتشر مشاكل االستقرار. تبحث هذه األطروحة في مؤشرات ضغط التربة باستخدام تقنيات التصميم العامل الكامل المدمجة ضمن منهجية التصميم التجريبي المعروفة. تم جمع البيانات الفيزيائية والميكانيكية من المنطقة المدروسة، بما في ذلك الدراسات الجيولوجية والهيدرولوجية، األطر النظرية، المحاكاة العددية واألساليب اإلحصائية المتقدمة. تستخدم الدراسة أدوات إحصائية تنبؤية متنوعة لتعريف مؤشرات االنضغاط وإعادة االنضغاط (Cc)و (Cs)بدقة، باإلضافة إلى نسبة التراكب الزائد .تقوم تحليل المكونات الرئيسية والتحليل االنحداري بتبسيط مجموعات البيانات المعقدة إلى رؤى مفيدة. تتيح منهجية ، بما في ذلك ومنهجية استجابة السطح، التحقيق المنهجي وتحسين الظروف التجريبية للحصول على نماذج تنبؤية بأفضل مالءمة ومعامالت ارتباط عالية تتراوح بين 0.85 و0.93 لجميع النماذج المختلفة التي تم الحصول عليها. في خطوة التحقق في هذا التحقيق، تم تحضير عينات من المنطقة المدروسة وتحليلها في مختبر ميكانيكا التربة للحصول على المعلمات المستهدفة لالعتماد على النموذج. تطابقت جميع التحقق بدقة مع النماذج التي تم الحصول عليها باستخدام المنهجية المذكورة. أكدت المحاكاة العددية باستخدام تحليل العناصر المحدودة نتائج االستقرار القريبة جداً مقارنة بتلك المحسوبة باستخدام النماذج التنبؤية لمؤشرات االنضغاط للتربة المدروسة.