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Performance of surface structures subjected to subsurface soil erosion

Menaa, Merouane (2008). Performance of surface structures subjected to subsurface soil erosion. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Several geotechnical engineering structures (e.g. pavements, slabs-on-grade, footings) transfer pressure to the ground through a contact area with the supporting soil. Design of these structures usually assumes that full contact is established throughout the service life of the structure. Erosion of the subgrade soil is a common mechanism that can lead to the development of subsurface voids and consequently a contact loss between the structure and the supporting soil characterized by a void space under the structure.

The performance of surface structures such as concrete pavements, slabs-on-grade, and sidewalks subjected to subsurface soil erosion is investigated experimentally and numerically in this thesis. The experiments were performed in a rigid tank holding a prism of sand with artificially created soil erosion; supporting a rigid steel plate. The surface deformation and contact pressure at the plate-soil interface were measured to quantify the effect of subsurface soil erosion on the stresses developing in the surface structure. Numerical modeling was conducted using 2D elasto-plastic finite element analysis. The model was first validated using the experimental results. Several scenarios were then considered where parameters such as the volume of soil erosion, its location, and the magnitude of the load the concrete slab is subjected to, were varied. Results of this investigation indicated that when the void space is centered under the slab-on-grade, tensile stresses developing in the structure increased as the size of the void increased causing ultimately the failure of the slab. It has also been concluded that when the void is offcentered, the supporting soil around the void space is likely to experience shear failure before excessive tensile stresses develop in the outermost fibers of the structure.

Titre traduit

Étude de performance des structures de surface sujettes à l'érosion sous-jacente

Résumé traduit

Plusieurs infrastructures geotechniques (ex. chaussees, dalles, fondations) exercent une pression a travers leurs surfaces de contact avec le sol. Le dimensionnement de ces structures suppose un contact parfait tout au long de la vie de service de celles-ci. Par ailleurs, I'erosion des sols sous-jacents est un mecanisme qui pent contribuer au developpement de cavites souterraines et par consequent a une perte locale de contact entre la structure et le sol, caracterisee par un vide sous la structure.

La performance des structures telles que les chaussees en beton, les dalles ainsi que les trottoirs sujettes a I'erosion souterraine est etudiee experimentalement et numériquement dans ce memoire. Les experiences ont ete menees dans un caisson en acier rigide contenant du sable ou I'erosion souterraine a ete cree artificiellement; le tout supportant une plaque en acier rigide. Les deformations de la surface ainsi que les pressions de contact a l'interface plaque-sol ont ete mesurees afin de quantifier les effets de I'erosion souterraine sur les contraintes developpees dans la structure. L'etude numerique a ete conduite en utilisant un modele elastoplastique a 2 dimensions. Le modele a ete calibre avec les résultats experimentaux et divers scenarios ont ete envisages. Des parametres tels que le volume du sol erode, sa localisation ainsi que les chargements appliques sur la dalle de beton ont été varies. Les resultats de cette recherche ont montre que lorsque le vide est centre directement sous la dalle, les contraintes de traction developpees dans celle-ci augmentent avec la taille du vide provoquant ainsi la rupture de la dalle. II a egalement ete conclu que lorsque le vide est excentre, le sol au voisinage de celui-ci est susceptible de subir une rupture avant que des contraintes de traction excessives ne se developpent dans la fibre la plus tendue de la dalle en beton.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thesis report presented to École de technologie supérieure submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of master in construction engineering". Bibliogr : f. [102]-105.
Mots-clés libres: beton, chaussee, dalle, element, erosion, experimental, fini, fissure, modelisation, performance, souterrain, structure, surface, trottoir
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Assaf, Gabriel J.
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Meguid, Mohamed A.
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie de la construction
Date de dépôt: 10 août 2010 13:24
Dernière modification: 19 déc. 2016 22:38
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/148

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