A semi-probabilistic approach to the design of jet grouted umbrellas in tunnelling
Authors: Flora A. , Lignola G. P. , Manfredi G. 
Published: September 2007

A possible approach is shown for the design of jet grouted umbrellas, which are often used as temporary supports in tunnelling practice. In the current paper it is argued that such an approach should be probabilistic or semi-probabilistic. Based on published experimental data and statistical analyses of diameter and centroid position along the axis of jet grouted columns, a series of Monte Carlo simulations were carried out to find the influence of possible defects within the column in the umbrella static performance, with reference to two extreme subsoil conditions: clay and sand. Geometrical considerations on the minimum overlapping among columns necessary for continuity on the whole span of the umbrella are drawn. It is shown that, owing to defects, the real shape of jet grouted umbrellas is not that of a regular frustum of cone. It is also shown that overlapping decreases along the span. There is a critical length after which structural continuity is diffi- cult to obtain, depending on the statistical characteristics of the jet grouted columns. Defects in axis orientation have a significant effect on this critical length. Static conditions are also analysed, assuming a simplified two-dimensional arch scheme, with reference to the part of the umbrella in which continuity is guaranteed with the assumed level of confidence (95%). The minimum average thickness of the jet grouted umbrella necessary for equilibrium is found, which generally increases as the umbrella opens up along its axis. By combining geometric and static considerations, a simple yet conservative criterion to plan the number of layers of jet columns, their spacing and minimum required diameter—and therefore their initial overlapping—for the design of tunnelling supporting umbrellas is then proposed. Une méthode possible est démontrée pour l'étude de couvertures scellées par jet, utilisées fréquemment comme supports provisoires dans l'exécution de souterrains. On soutient, dans la présente communication, que cette méthode devrait être probabiliste ou semi-probabiliste. Sur la base de données expérimentales publiées et d'analyses statistiques du diamètre et de la position centroïde le long de l'axe des colonnes scellées par jet, on effectué une série de simulations de Monte-Carlo pour établir l'influence de défauts é ventuels au sein de la colonne sur les performances statiques de la couverture, relativement à deux types de sous-sol extrêmes: l'argile et le sable. On en tire des considérations géométriques sur le chevauchement minimum entre les colonnes, nécessaire pour assurer la continuité sur l'intégralité de la portée de la couverture. On démontre qu'en raison des défauts, la forme effective des couvertures scellées par jet n'est pas celle d'un cône tronqué normal. On démontre é galement que le chevauchement diminue le long de la portée. Il existe une longueur critique au-delà de laquelle il est difficile d'obtenir une continuité structurelle, en fonction des caractéristiques statistiques des colonnes scellées par jet. Les défauts dans l'orientation des axes ont un effet significatif sur cette longueur critique. Ont analyse é galement les conditions statiques, en supposant la présence d'une arche bidimensionnelle simplifiée, relativement à la partie de la couverture dans laquelle la continuité est garantie avec le niveau d'assurance (95%). L'épaisseur moyenne minimale de la couverture scellée par jet, nécessaire pour l'équilibre, est déterminée, et augmente généralement au fur et à mesure de l'ouverture de la couverture le long de son axe. Enfin, en alliant des considérations géométriques et statiques, on propose un critère à la fois simple et modeste pour planifier le nombre de colonnes à jet, leur espacement et le diamètre minimum requis – et, par conséquent, leur chevauchement initial – pour l'étude de couvertures de soutien pour la construction de tunnels.