Article de recherche / Research Article

An adaptation of Limit Equilibrium Methods for the design of soil-nailed walls facings

Une adaptation des méthodes d’équilibre limite pour le dimensionnement du parement des murs en sol cloué

Univ Gustave Eiffel, Univ Lyon, GERS-RRO, F-69675 Lyon, France

^* Corresponding author: jean.de-sauvage@univ-eiffel.fr

Abstract

Soil nailing is a technique developed in France during the 1970s for the retainment of excavations. The nails are steel bars introduced in the soil and preventing the soil mass to fail. Such structures are often designed through classical slope stability analysis software, i.e. based on Limit Equilibrium. The tension in the nails is generally considered equal to the maximum tensile forces admissible in the reinforcement. Yet, the service loads in the reinforcements are generally smaller than the calculated ones, especially at the bottom of the excavation because of the construction phasing. This is critical for the design of the facing and Limit Equilibrium based software need to be adapted by considering the construction phasing to modulate the mobilization of reinforcements. Based on the study of soil nailed walls through real-scale experiments, centrifuge and numerical modelling, an improvement of the limit equilibrium classical design is proposed. The software used was PROSPER, developed by Laboratoire Central des Ponts et Chaussées in the 1990s. The particularity of PROSPER is to derive the reactions of the nail by imposing a displacement of the failing soil mass. This displacement is generally considered as homogenous along the failure surface. However, considering a high displacement for the top nails (fully mobilized) and a small one for the bottom nails (partially mobilized) provide a relevant distribution of soil nail tensile forces. A distribution is proposed for such displacement and this design approach has been tested on an experimental wall, providing an efficient and time-saving design of soil-nailed walls.

Résumé

Le clouage des sols est une technique développée en France dans les années 1970 pour le soutènement des excavations. Les clous sont des barres d’acier introduites dans le sol afin d’empêcher la masse de sol de céder. Ces structures sont souvent conçues à l’aide de logiciels classiques d’analyse de stabilité des pentes, basés sur des méthodes d’équilibre limite. La tension dans les clous est généralement considérée comme égale à la tension maximale admissible dans les armatures. Pourtant, les charges de service dans les armatures sont généralement plus faibles, en particulier au fond de l’excavation en raison du phasage de la construction. Ceci est critique pour la conception du parement et les logiciels basés sur l’équilibre limite doivent être adaptés en modulant la mobilisation des renforcements. En se basant sur l’étude des murs cloués au travers d’expériences à échelle réelle, de modèles réduits centrifugés et de modélisation numérique, une amélioration de cette méthode de dimensionnement est proposée. Le logiciel utilisé est PROSPER, développé par le Laboratoire Central des Ponts et Chaussées dans les années 1990. La particularité de PROSPER est de déterminer les efforts dans les clous en imposant un déplacement de la masse de sol en rupture. Ce déplacement est généralement considéré comme homogène le long de la surface de rupture. Cependant, en considérant un déplacement élevé pour les clous supérieurs (entièrement mobilisés) et un déplacement faible pour les clous inférieurs (peu mobilisés) on obtient une distribution pertinente des tensions des clous. Une distribution de ce déplacement relative est proposée et cette nouvelle approche a été testée sur un mur expérimental, fournissant un dimensionnement efficace et rapide des murs cloués dans le sol.