Development and Implementation of The Royal Military College of Canada's Geotechnical Beam Centrifuge for Physical Modelling

Abstract

The Royal Military College of Canada has recently acquired a 1.5m-diameter, 6 G-ton geotechnical beam centrifuge. Geotechnical centrifuges apply an elevated gravity field to permit physical modelling of geo-structures at significantly reduced spatial and temporal scales. In this thesis both confirmatory testing for development of the centrifuge is conducted and behaviour of expansive soils subjected to wetting-drying is examined. First the methodology, equipment, and apparatuses for the centrifuge are developed for use in physical modelling exercises. Two verification test programs are conducted, a slope stability model and a strip footing constructed on a remolded clay soil are modelled, varying scale, shear strength, and model geometry. Correlation between behaviour of the physical models at different scales and agreement with analytical solutions is shown. These results demonstrate the application of the centrifuge and the methods used to produce accurate modelling of geotechnical structures at various scales and provides a basis of theory and methodology for further research of more complex geotechnical problems. Secondly, expansive soils are a challenging engineering material that cause severe damage to light infrastructure when subjected to seasonal wetting and drying cycles. A paved road structure model is constructed in expansive soil and subjected to cyclic infiltration and evaporation. The results of wetting-drying cycles agree with theoretical failure mechanisms for pavements and published field data of similar structures and conditions. The strains observed through the soil profile, which are observable with centrifuge modelling, explain the behaviour of the surface predicted by the theory and observed in field studies, and replicated in the models. The results provide insight into the mechanism producing road failure and the impact of modifications to road designs. The success of centrifuge modelling of idealized and complex geotechnical structures and mechanisms is established, providing a valuable tool for teaching and research at the Royal Military College of Canada.

Le Collège militaire royal du Canada a récemment acquis une centrifugeuse à faisceau géotechnique de 1,5 m de diamètre et 6 Gt. Les centrifugeuses géotechniques appliquent un champ de gravité élevé pour permettre la modélisation physique des géo-structures à des échelles spatiales et temporelles significativement réduites. Dans cette étude, des tests de confirmation du développement de la centrifugeuse sont effectués et le comportement des sols expansibles soumis à un séchage par voie humide est examiné. Tout d'abord, la méthodologie, l'équipement et les appareils de la centrifugeuse sont conçus pour être utilisés dans des exercices de modélisation physique. Deux programmes de test de vérification sont menés, un modèle de stabilité de pente et une semelle construite sur un sol d'argile remodelé sont modélisés, en variant l'échelle, la résistance au cisaillement et la géométrie du modèle. La corrélation entre le comportement des modèles physiques à différentes échelles et l'accord avec des solutions analytiques sont présentés. Ces résultats démontrent l'application de la centrifugeuse et les méthodes utilisées pour produire une modélisation précise des structures géotechniques à différentes échelles et fournit une base de théorie et de méthodologie pour une recherche approfondie de problèmes géotechniques plus complexes. Deuxièmement, les sols expansifs sont un matériau d'ingénierie difficile qui cause de graves dommages aux infrastructures légères lorsqu'ils sont soumis à des cycles environnementaux. Un modèle de structure de route pavée est construit dans un sol expansif et soumis à une infiltration cyclique et à une évaporation. Les résultats des cycles de mouillage-séchage concordent avec les mécanismes d'échec théorique pour les chaussées et les données de terrain publiées sur de structures et conditions similaires. Les efforts observés à travers le profil du sol qui sont observables par modélisation par centrifugation expliquent le comportement de la surface prédite par la théorie et observées dans les études sur le terrain et reproduites dans les modèles. Les résultats donnent un aperçu du mécanisme produisant la dégradation de la route et de l'impact de la modification de la conception. Le succès de la modélisation par centrifugation de structures et de mécanismes géotechniques idéalisés et complexes est établi, ce qui constitue un outil précieux pour l'enseignement et la recherche au Collège militaire royal du Canada.