Toward risk-based life cycle assessments in geotechnical design

Following an increased focus on societal sustainability, life-cycle considerations have become more important for owners of geotechnical engineering structures. A structural design shall not only perform well at the completion of the structure, but facilitate structural performance over the whole service life. A sustainable geotechnical design should therefore strive to minimise the total life-cycle cost of the structure. As a consequence, the design needs to consider the effect of potential future hazards and allow for cost-effective maintenance. This report takes a first step toward risk-based life-cycle assessments in geotechnical design. The report reviews the current state of the art of probabilistic life-cycle assessments in civil engineering, with a focus on geotechnical design. Based on this, a probabilistic decision tool for geotechnical design from a life-cycle perspective is proposed. The applicability of the tool is then illustrated for a practical case, where different design alternatives for an embankment foundation on soft clay (vertical drains or dry deep mixing columns) are evaluated with respect to a potential groundwater drawdown event, occurring during the service life of the embankment. To facilitate this life-cycle cost assessment, novel reliability-based design methodologies were developed both for surcharges on vertical drains and for dry deep mixing columns. The research results are summarised in this final report and in six scientific articles, which have been appended. Samhällets ökade intresse för hållbar utveckling har gjort livscykelanalyser alltmer relevanta för ägare av geotekniska anläggningar. Konstruktionens utformning ska inte bara avse förhållandena vid invigning, utan även fungera under konstruktionens hela dimensionerande livslängd. En geotekniker bör därför sträva efter att konstruktionens livscykelkostnad minimeras. Utformningen behöver därför väljas med beaktande av såväl framtida hot från extrema laster som kostnadseffektiva möjligheter till underhåll. Denna rapport tar ett första steg mot riskbaserade livcykelkostnadsanalyser inom geotekniken. Rapporten redogör för det nuvarande forskningsläget kring sannolikhetsbaserade livscykelanalyser inom anläggningsbyggande, med särskilt fokus på geotekniken. Utifrån detta har ett sannolikhetsbaserat beslutsverktyg tagits fram. Verktyget analyserar val mellan olika möjliga designalternativ utifrån möjliga effekter under hela livscykeln. Verktygets användbarhet visas genom ett illustrativt beräkningsexempel, där olika grundläggningsalternativ för en vägbank (vertikaldräner med överlast och kalkcementpelare av olika längd) utvärderas med avseende på effekten av en extrem grundvattensänkning, som potentiellt kan inträffa under vägbankens livslängd. För att kunna förse verktyget med relevant indata har även nya sannolikhetsbaserade metoder utvecklats för dimensionering av dessa grundläggningsalternativ. Forskningsresultaten sammanfattas i denna slutrapport, som även inkluderar sex vetenskapliga artiklar. This report has six scientific articles appended, accessible in the following links:Paper A: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-293858Paper B: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-290364Paper C: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-264902Paper D: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-316339Paper E: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-290163Paper F: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-320072QC 20230120