Retaining structures: displacement and design
Authors: Simpson B. 
Published: October 2009

The quest for rational methods of designing retaining structures has been pursued for many decades. The existing British code of practice was first published in 1951 and a committee attempting to revise it has been sitting for about 20 years; the record of other European countries is little better. A major reason for the difficulty lies in the importance of soil-structure interaction to the behaviour of retaining walls, and in particular the significance of displacement in governing the acceptability of a particular design.

The Eurocodes, which are currently under development will adopt a partial factor method for establishing safety and, incidentally, serviceability. At the same time, an editing group working on the British code has concentrated attention on serviceability, but its recommendations for calculations are rather similar to those of the Eurocode. The approaches proposed by both these groups will lead to some differences in the designs adopted for construction, when compared with conventional British design. The background to these approaches is discussed in this Paper.

In an effort to understand the behaviour of retaining walls, ground movements at many deep excavations have been monitored. Besides aiding understanding of the interaction of ground and walls, this has provided the stimulus for major research and development in fundamental understanding of the stress-strain behaviour of soil. Results of measurements at the excavation for the British Library in London are presented and compared with computed soil movements using both old and new models of soil behaviour.

Largely because of measurements of retaining wall behaviour, it is now widely recognized that most soils exhibit much higher stiffness at very small strains than were measured in traditional laboratory tests on soil specimens. This feature, represented by the S-shaped curve, has been incorporated into a new model of soil behaviour which is based on a simple analogue. Despite its simplicity, the analogue leads to predictions of a surprising range of soil properties for both normally consolidated and overconsolidated states. The model is readily incorporated into a finite element program and reproduces the ground movements measured at the British Library excavation fairly well, together with those of a deep excavation in soft clay from Singapore. It is used to provide further understanding and justification for the design methods being developed in the European and British codes of practice.

The importance of displacement and strain forms a recurrent theme in the Paper.

La recherche de méthodes rationnelles de conception de structures de soutènement a été entreprise depuis des dizaines d'années déjà. La norme britannique actuelle a été publiée pour la première fois en 1951 et un comité travaille sur sa révision depuis environ vingt ans. Les normes des autres pays européens sont à peine meilleures. L'une des difficultés principales réside dans l'importance de l'interaction sol-structure sur le comportement des murs de soutènement et, plus particulièrement, dans l'amplitude du déplacement qui régit l'acceptation ou non d'une structure particulière.

Les normes européenes actuellement à l'étude adopteront une méthode de facteur partiel pour calculer la sécurité et, incidemment, la capacité de service. Parallèlement, un group réductionnel travaillant sur la norme britannique a concentré son attention sur la capacité de service et ses recommandations de calcul sont tout à fait équivalentes à celles de la norme européenne. Les approches proposées par le deux groupes vont conduire à quelques différences entre les formes adoptées pour la construction et celles plus conventionnelles de la norme britannique. La base de ces approches est étudiée dans cet article.

De façon à mieux comprendre le comportement des murs de soutènement, les mouvements du sol ont été enregistrés dans de nombreuses excavations profondes. En plus d'une meilleure compréhension des interactions sol-mur, ces études ont stimulé d'importantes recherches et développements dans la compréhension fondamentale du comportement contrainte-déformation des sols. Les mesures réalisées dans la fouille de la British Library à Londres sont présentées et comparées à des mouvements de sol calculés numériquement à la fois à l'aide d'anciens et de nouveaux modèles de comportement.

En raison de ces mesures de comportement de murs de soutènement, il est aujourd'hui largement reconnu que la plupart des sols présentent, à petites déformations, des raideurs supérieures à celles mesurées sur des échantillons de sol lors d'essais de laboratoire traditionnels. Ce fait, représenté par la 'courbe en S', a été intégré à un nouveau modèle de comportement des sols basé sur une analogie simple. Malgré sa simplicité, cette analogie conduit à prédire une catégorie suprenante de propriétés des sols pour des états normalement ou surconsolidés. Le modèle est directement incorporé à un programme d'éléments finis et reproduit relativement bien les mouvements de sol mesurés dans la fouille de la British Library, ainsi que ceux mesurés sur une excavation profonde dans des argiles molles de Singapour. Le modèle a été utilisé pour obtenir une compréhension et une justification des méthodes de conception en cours de développement dans les normes européennes et britanniques.

L'importance des déplacements et des déformations est un thème permanent de cet article.