Reliability of traditional retaining wall design

Retaining wall design has long been carried out with the aid of either the Rankine or Coulomb theories of earth pressure. To obtain a closed-form solution, these traditional earth pressure theories assume that the soil is uniform. The fact that soils are actually spatially variable leads, however, to two potential problems in design: do sampled soil properties adequately reflect the effective properties of the entire retained soil mass, and does spatial variability of soil properties lead to active earth pressure effects that are significantly different from those predicted using traditional models? This paper combines non-linear finite element analysis with random field simulation to investigate these two questions and assess just how safe current design practice is. The specific case investigated is a two-dimensional frictionless wall retaining a cohesionless drained backfill. The wall is designed against sliding using Rankine's earth pressure theory. The design friction angle and unit weight values are obtained by sampling the simulated random soil field at one location, and these sampled soil properties are then used as the effective soil properties in the Rankine model. Failure is defined as occurring when the Rankine predicted force acting on the retaining wall, modified by an appropriate factor of safety, is less than that computed by the random finite element method employing the actual soil property (random) fields. Using Monte Carlo simulation, the probability of failure of the traditional design approach is assessed as a function of the factor of safety used and the spatial variability of the soil.

• INTRODUCTION

• THE RANDOM FINITE ELEMENT MODEL

• ACTIVE EARTH PRESSURE DESIGN RELIABILITY

• MONTE CARLO RESULTS

• CONCLUSIONS

• ACKNOWLEDGEMENTS

• NOTATION

• REFERENCES

La conception des murs de soutènement se fait depuis longtemps à l'aide de la théorie de Rankine ou de la théorie de Coulomb sur la pression terrestre. Pour obtenir une solution en forme fermée, ces théories de pression terrestre traditionnelles présument que le sol est uniforme. Cependant, le fait que les sols sont en fait variables dans l'espace mène à deux problèmes de conception potentiels : est-ce que les propriétés du sol échantillonné représentent de manière adéquate les propriétés effectives de toute la masse de sol retenue et est-ce que la variabilité spatiale des propriétés du sol mène à des effets actifs de pression terrestre qui sont largement différents de ceux prédits en utilisant les modèles traditionnels ? Cet exposé combine des analyses d'éléments finis non liné- aires à des simulations aléatoires sur le terrain pour étudier ces deux questions et évaluer le degré de fiabilité de la pratique de design courante. Le cas spécifique examiné ici est un mur sans friction en deux dimensions retenant un remblai drainé sans cohésion. Le mur a été conçu contre le glissement en utilisant la théorie de pression terrestre de Rankine. L'angle de friction nominal et les valeurs de poids unitaire sont obtenues en faisant des échantillons du champs aléatoire simulé en un endroit ; les propriétés échantillonnées sont alors utilisées comme les propriétés effectives du sol dans le modèle de Rankine. La défaillance est définie comme se produisant lorsque la force prévue de Rankine agissant sur le mur de soutènement et modifiée par un facteur de sécurité approprié est inférieure à celle calculée par la méthode d'éléments finis aléatoires employant les champs (aléatoires) de propriété du sol réel. En utilisant une simulation de Monte Carlo, la probabilité de défaillance de la méthode de conception traditionnelle est évaluée comme fonction du facteur de sécurité utilisé et de la variabilité spatiale du sol.