Influence of soil heterogeneity on load redistribution and settlement of a hyperstatic three-support frame

Spatial and geometrical variability of mechanical soil properties can induce differential settlements and load redistribution in hyperstatic structures. Therefore damage prevention requires specific attention to be paid to the global mechanisms of soil–structure interaction. A reduced-scale model of a hyperstatic three-support frame (scale 1:100) is installed on the CEA-CESTA centrifuge, up to 100g. Various configurations are studied, with different loadings, different structural stiffnesses, and different geometries of the soil layer. Strain gauges are fixed at various points so as to enable the retro-analysis of all components of forces at free ends. Displacements are recorded at several points on the structure and on the free surface. A numerical model of the frame (based on beam theory with elastic supports) is calibrated, first to determine an equivalent support stiffness, and second to quantify the effect of variations of the structural stiffness/soil modulus ratio on the structural response. A probabilistic approach based on Monte Carlo simulation is thus developed. It mixes the soil description, based on random field theory and enabling the description of spatial correlation of properties and the frame model identified above. The influence of (a) scattering in soil properties and (b) spatial correlation of soil properties–through correlation length or scale of fluctuation – is quantified in terms of displacements and bending moments in the frame. The approach reveals the important weight/influence of soil variability on differential settlement and load redistribution, particularly when the scale of fluctuation of soil and length of span have the same magnitude. The analysis makes it possible to evaluate the risk that the bending moment in any critical section may be larger than predicted by the usual engineer's model. Some conclusions are drawn to better estimate ‘characteristic bending moments’ in the frame, accounting for both the soil variability and the soil – frame interaction.

• INTRODUCTION

• SOIL–STRUCTURE INTERACTION AND HOMOGENEOUS SOIL: EXPERIMENTAL APPROACH

• SOIL–STRUCTURE–FOUNDATION INTERACTION: BEAM WITH ELASTIC SUPPORTS

• NUMERICAL APPROACH TO SOIL–STRUCTURE INTERACTION

• INFLUENCE OF SOIL VARIABILITY ON LOAD REDISTRIBUTION

• CONCLUSION

• ACKNOWLEDGEMENTS

• NOTATION

• REFERENCES

La variabilité spatiale et géométrique des propriétés mécaniques du sol peut générer le tassement différentiel et une redistribution des efforts. Dès lors, prévenir les dommages requière de comprendre le mécanisme d'interaction sol-structure. Un portique hyperstatique à 3 appuis à l'échelle réduite de 1/100 est étudié au moyen de la centrifugeuse du CEA-CESTA à 100g. Différentes configurations de chargement, de rigidité structurale et de géométrie du sol sont étudiées. La réponse de l'ouvrage est quantifiée au moyen de jauges de déformations et de capteurs de déplacement. Un modèle numérique de l'ouvrage (basé sur la théorie des poutres avec appuis élastiques) est utilisé, tout d'abord pour définir une rigidité d'appui correspondant aux efforts internes, mais aussi pour quantifier la réponse structurale en fonction de la rigidité relative sol ouvrage. Une approche probabiliste basée sur la méthode de Monte Carlo est ensuite développée. Cette approche permet d'étudier la réponse structurale de l'ouvrage en considérant la rigidité d'appui comme une variable aléatoire qui possède une corré- lation spatiale. L'influence (a) de la dispersion des propriétés du sol et (b) de la corrélation spatiale des propriétés du sol – au moyen de la longueur de corrélation ou de l'échelle de fluctuation - est quantifiée en terme de déplacement et de moment fléchissant. L'approche met en évidence l'importance de la variabilité du sol sur le tassement différentiel et la redistribution des efforts, en particulier lorsque la longueur de corrélation est similaire à la longueur des travées. L'analyse montre qu'il est possible d'évaluer le risque de dépasser les sollicitations admissibles en tenant compte d'un sol hétérogène, et de l'interaction sol structure.