A generic approach to soil–structure interaction considering the effects of soil heterogeneity

The longitudinal variation of soil properties has a major influence for many types of structure, including pavements, buried pipes, raft foundations and railways, as it induces stresses and/or displacements that cannot be predicted when assuming soil homogeneity. A set of simple numerical models has been developed to describe how soil–structure interaction can be influenced by soil variability. These models include: (a) a description of the soil spatial variability, within the frame of geostatistics, where the correlation length of soil properties is the main parameter; and (b) a mechanical description of the soil– structure interaction, which depends on the structure resting on the ground. There are some differences between a (more or less) rigid raft on piles, a set of buried pipes with (more or less) flexible connections and a hyperstatic beam, but the basic principles of mechanics are similar in all these cases. Several very general conclusion are drawn. (a) Soil heterogeneity induces effects (differential settlements, bending moments, stresses and possible cracking) that cannot be predicted if homogeneity is assumed. (b) The magnitude of the induced stresses depends on three factors: the magnitude of the soil variability (i.e. its coefficient of variation); a soil–structure stiffness ratio (in some cases, where the mechanics are more complex, one can consider two stiffness ratios, as in buried pipes for example, when one has to account for the flexibility both of the pipes and of the connections); a soil–structure length ratio, which combines the soil fluctuation scale and a structural characteristic length (distance between supports, buried pipe length, etc). In all cases, a worst value, corresponding to the value leading (from a statistical point of view) to the (statistically) largest effects in the structure, can be found. The principal benefit of such an approach is to provide some new approaches for better considering phenomena such as the geometrical irregularities in the longitudinal profile of pavements or during the control of soil compaction of sewer trench filling. This kind of approach can also give experts new tools for better calibration of safety in soil– structure interaction problems, when the soil variability is an influential parameter. Some practical conclusions are drawn in this direction.

• SOIL VARIABILITY AND SOIL–STRUCTURE INTERACTION

• MODELLING SOIL VARIABILITY AND ITS EFFECTS, IN THE CASE OF NO INTERACTION

• ACCOUNTING FOR STRUCTURAL STIFFNESS EFFECTS

• MODELLING SOIL VARIABILITY AND SOIL–STRUCTURE INTERACTION IN A SEWER SYSTEM

• MODELLING SOIL VARIABILITY AND SOIL–STRUCTURE INTERACTION FOR A PILED FOUNDATION

• GOVERNING PARAMETERS AND PROPOSAL FOR A GENERIC APPROACH TO SOIL–STRUCTURE INTERACTION

• NOTATION

• REFERENCES

La variation longitudinale des propriétés des sols a une influence majeure sur de nombreux types d'ouvrages : chaussées, réseaux enterrés, fondations, rails. Elle induit des contraintes et des déplacements qui ne peuvent être prédits si l'on suppose le sol homogène. Un ensemble de modèles numériques simples a été développé pour décrire comment l'interaction sol-structure peut être influencée par la variabilité des terrains. Ces modèles comprennent : (a) une description de la variabilité spatiale des sols, utilisant le concept de longueur de corrélation des propriétés et (b) une description mécanique de l'interaction sol-structure, qui dépend du type de structure. Il existe un certain nombre de différences entre un radier (plus ou moins) rigide, un ensemble de tronçons de conduites avec des joints (plus ou moins) flexibles et une poutre hyperstatique, mais les principes mécaniques de base restent identiques dans tous ces cas. Plusieurs conclusions très générales sont tirées. (a) L'hétérogénéité du sol induit des effets (tassements différentiels, moments fléchissants, contraintes et fissuration possible) qui ne peuvent être prédites sous l'hypothèse d'homogénéité. (b) L'amplitude des contraintes induites dépend de trois facteurs : l'amplitude de la variabilité des propriétés du sol ; un coefficient de rigidité relative sol-structure (dans quelques cas, où la mécanique est plus complexe, il convient de considérer plusieurs coefficients de rigidité relative, comme par exemple, dans le cas de tuyaux enterrés, où il faut tenir compte de la rigidité des tuyaux et des joints) ; un coefficient de dimensions relatives sol-structure, qui combine l'échelle de fluctuation du sol et une dimension caractéristique de la structure. Dans tous les cas est mis en évidence l'existence d'une valeur critique, correspondant à la situation qui conduit aux effets mécaniques (statistiquement) les plus défavorables. Le bénéfice principal d'une telle approche est de fournir des éléments pour mieux approcher des problèmes comme les irrégularités géométriques du profil en long des chaussées ou comme le contrôle de compactage des remblais. Ce type d'approche peut aussi fournir aux experts de nouveaux outils pour une calibration plus rigoureuse de la sécurité dans les problèmes d'interaction sol-structure, quand la variabilité des sols est un paramètre influent. Des conclusions pratiques sont tirées dans cet esprit.