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Evaluation of earth pressure and performance of shoring systems for Québec sensitive clay: experimental and numerical study

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Alam, Miah (2021). Evaluation of earth pressure and performance of shoring systems for Québec sensitive clay: experimental and numerical study. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Cave-ins are very frequent in the construction industry and present a very serious risk for workers who operate inside trenches or excavations. Studies show that excavations or trenches in Quebec sensitive clay soils are extremely hazardous due to possible severe and sudden loss of soil shear strength. Flexible and semi-flexible supporting structures are used as temporary supports for the vertical sides of excavations. The earth pressure distribution depends on the type of soil, the shoring, and the method of implementation. Generally, no satisfactory consensual theoretical solutions are available to estimate soil pressure for this type of supporting structure with partitions facing land pressures in sensitive clay. Many researchers have suggested theoretical solutions to estimate the earth pressure on a flexible temporary support. A research gap has been observed for trench box shoring at shallow depths of less than 6 m and for soil-structure interactions (SSI). Therefore, the interaction between the soil mass and the support, flexibility in the development of lateral loads, and the movement of structural elements need to be studied for a trench box shoring. This research study focused on the evaluation of earth pressure on retaining structural systems. An Experimental, numerical, and parametric study was carried out to investigate the soil pressure on a temporary flexible trench box shoring in sensitive clay taking into account SSI.

In the experimental field test procedures, two trench boxes ‘stacked upon each other’ in conformity with United-States OSHA regulations and placed inside the trench to cover a total depth of excavation of 6 m. Earth pressure was mentioned using total pressure cells (TPC). The field test results were presented in terms of soil pressure distribution along with the depth of excavation with and without a 45 kPa surface surcharge load applied next to the edge of one side of the trench.

The Finite-Element (FE) numerical study using PLAXIS-3D (SSI- software) was carried out to reproduce and validate the full-scale experimental in-situ test and investigated the earth pressure on a flexible temporary trench box shield in soft and sensitive clay soil. The excavation trench model was considered as nonlinear and anisotropic clay. Both Mohr- Coulomb (MC) and hardening soil (HS) constitutive soil models were considered for FEanalysis. Different values of the soil-modulus reduction factor (MRF) and of the coefficient of earth pressure at rest (K0) were considered to validate the model.

Also, two parametric finite element studies have been carried out using the same computer software to meet the two following specific objectives: (i) to evaluate the effective soil pressure on the steel trench box shield for Till, Dry, Wet and Loose sand and sensitive clay soil; (ii) to assess the effects of the trench box material type (Steel and Aluminum) and geometry on the earth pressure.

Furthermore, an additional field experimental case study was carried out to investigate the soil pressure on a trench by vertical aluminum hydraulic shoring with plywood sheeting in soft and sensitive clay trench. The installation, instrumentation, and field test procedures are presented for this type of vertical aluminum hydraulic shoring with plywood sheeting (so-called Speed shore) in conformity with United-States OSHA guidelines and placed inside the trench to cover the total 2.4 m (8 ft.) depth of excavation. Earth pressure was monitored using total pressure cells (TPC). The field test results are presented in terms of soil pressure distribution along the depth of excavation with and without a 30 kPa surface surcharge load next to the edge of one side of the trench.

The results obtained reveal the potential use of an existing trench excavation and shoring system for different types of soil and validate its performance with theoretical and experimental results reported in the literature. They also allowed to develop a decision making-guideline that will allow the selection of a shoring system given the Quebec soil classes. This guideline is a very useful tool for practicing engineers in the field.

Titre traduit

Évaluation de la pression des terres et de la performance des systèmes d'étançonnement pour l'argile sensible du Québec : étude expérimentale et numérique

Résumé traduit

Les effondrements sont très fréquents dans l'industrie de la construction et présentent un risque très grave pour les travailleurs qui opèrent à l'intérieur de tranchées ou d'excavations. Des études montrent que les excavations ou les tranchées dans les sols argileux sensibles du Québec sont extrêmement dangereuses en raison d'une possible perte grave et soudaine de la résistance au cisaillement du sol sur les structures. Des structures de support flexibles et semi-flexibles sont utilisées comme supports temporaires pour les côtés verticaux des excavations. La répartition de la pression du sol dépend du type de sol, de l'étaiement et de la méthode de mise en oeuvre. Généralement, aucune solution théorique consensuelle satisfaisante n'est disponible pour estimer la pression du sol pour ce type de structure porteuse avec des cloisons soumises à des pressions de sol en argile sensible. De nombreux chercheurs ont proposé des solutions théoriques pour estimer la pression de sol sur un support temporaire flexible. Une lacune de recherche a été observée pour l'étayage de caissons de tranchées à de faibles profondeurs inférieures à 6 m et pour les interactions sol-structure (ISS). Par conséquent, l'interaction entre la masse du sol et le support, la flexibilité dans le développement des charges latérales et le mouvement des éléments structurels doivent être étudiés pour un étayage en caisson de tranchée. La présente étude de recherche s'est concentrée sur l'évaluation de la pression de la terre sur les systèmes structurels de soutènement. Une étude expérimentale, numérique et paramétrique a été menée pour étudier la pression du sol sur un étaiement temporaire de caissons de tranchée flexible en argile sensible en tenant compte de l’ISS.

Dans l’étude expérimentale in-situ, deux caissons de tranchées « empilé l’un sur l’autre » conformément à la réglementation américaine OSHA et placés à l’intérieur de la tranchée pour couvrir une profondeur d’excavation totale de 6 m. La pression de sol a été suivie par des cellules de pression totale (TPC). Les résultats des essais sur le terrain ont été présentés en termes de distribution de la pression du sol en fonction de la profondeur d'excavation avec et sans une surcharge de surface de 45 kPa à proximité du bord d'un côté de la tranchée.

L’étude numérique par éléments finis (EF) utilisant PLAXIS-3D (logiciel ISS) a été réalisée pour reproduire et valider le test expérimental in-situ à grande échelle et a étudié la pression de la terre sur les parois d’étançonnement de tranchée temporaire flexible pratiquée dans un sol argileux sensible. Le modèle de tranchée d'excavation a été considéré comme une l'argile non linéaire et anisotrope. Les modèles de sols constitutifs de Mohr-Coulomb (MC) et de sol durcissant (HS) ont été considérés pour l'analyse par EF. Différentes valeurs du facteur de réduction du module du sol (MRF) et du coefficient de pression du sol au repos (K0) ont été considérées pour valider le modèle.

Par ailleurs, deux études paramétriques par éléments finis ont été réalisées en utilisant le même logiciel PLAXIS-3D pour atteindre les deux objectifs suivants : (i) évaluer la pression effective du sol sur le bouclier de la tranchée en acier pour le till, le sable sec, humide de compacité lâche ainsi que pour le sol argileux sensible ; (ii) évaluer les effets de la géométrie et du matériau du caisson de tranchée (acier et aluminium) sur la pression du sol.

En outre, une autre étude de cas expérimentale sur le terrain a été réalisée pour étudier la pression du sol sur une tranchée par étaiement hydraulique vertical en aluminium avec des feuilles de contreplaqué dans une tranchée d'argile molle et sensible. Les procédures d'installation, d'instrumentation et d'essai sur le terrain sont présentées pour ce type d'étaiement hydraulique vertical en aluminium avec feuille de contreplaqué (Speed Shore) conformément aux directives de l'OSHA des États-Unis et placées à l'intérieur de la tranchée pour couvrir la profondeur totale de 2,4 m (8 pi) des fouilles. La pression de sol a été saisie par des cellules de pression totale (TPC). Les résultats des essais sur le terrain sont présentés en termes de répartition de la pression du sol le long de la profondeur de l'excavation avec et sans une surcharge de surface de 30 kPa à proximité du bord d'un côté de la tranchée.

Les résultats obtenus révèlent le potentiel d'utilisation d'un système d'excavation et d'étaiement de tranchée existant pour différents types de sol et valident ses performances avec des résultats théoriques et expérimentaux reportés dans la littérature. Les résultats de la présente étude ont également servi à développer un guide permettant de choisir un système d’étançonnement en fonction de la classe de sol du Québec. Ce guide constitue un outil très utile pour l’ingénieur praticien oeuvrant dans le domaine.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 175-181).
Mots-clés libres: étayage de tranchées et d’excavation, codes et directives d’excavation, pression du sol sur la structure flexible, cellule de pression totale, PLAXIS-3D, méthode des éléments finis, argile molle et sensible, modélisation des sols et des structures, caissons de tranchées en acier et aluminium
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Chaallal, Omar
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 04 févr. 2022 20:20
Dernière modification: 04 févr. 2022 20:20
URI: https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2872

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