Mechanical performance and sustainability assessment of reinforced soil walls
Authors:   , Puig Damians Ivan 
Published: July 2023

Soil reinforced retaining wall structures are materiallymore efficientthan competing construction solutions such as gravity and cantilever walls. Nevertheless, the behaviour and interactions between the com ponent materials are com plex and not fully understood. Current design methods are typically limited to simple cases with respect to material properties, geometry, and boundary conditions. Advanced numerical models using finite element and/or finite difference methods offer the possibilityto extend the understanding ofthese systems and to predictwall performance under operational conditions.
In this Thesis, numerical models were developed and shown to give satisfactory predictions ofwall behavior when compared with results of instrumented physical structures. The verified models were useful for sensitivity analyses using a range ofwall geometries and boundaryconditions, material parameters and different constitutive models. As examples ofthe obtained results, the compressibility ofthe precast panel bearing pads significantly modified the axial vertical facing load but has no significant effect on the tension developed in the soil reinforcement layers. Also, the stiffness ofthe foundation soil has greater effect on the tension developed in soil steel reinforcing elements than for polymeric reinforcement layers.lt has been possible to perform sensitivity analysis using parameters that define soil-structure interactions. Such interactions have been analyzed using different commercial software programs and bydefining them with elements from the continuum media using 2D and 3D models. Laboratory reinforcement pullout tests using steelladder and polymeric strips were performed as part of the Thesis. Those parameters that have the greatest influence on soil-reinforcement interaction are identified, quantified, and compared to default-design wlues anda range ofvalues used to calibrate numerical models. From the results of2D and 3D numerical models suitable correlations have been obtained to allow 2D models to be used in plane strain reinforced soil
walls with discontinuous soil reinforcement elements in the running walllength ofthese structures.
With a proper sustainability assessment it has been possible to make quantitative comparisons between reinforced soil wall structures and other alternativés performing the same function (such as gravity and cantilever walls) construcfed to different heights. Using a modelbased on the multi-attributeutilitytheoryand wlue analysis decision-making, the best solutions with least negative impact were identified in an example set of alternative earth retaining wall options from a sustainable perspective. The results include possible scenarios based on the relative importance ofthe three pillars ofsustainability(i.e., environmental, economic, and sociallfunctional) as judged bydifferentstakeholders. Reinforced soil walls turned outto be the best choice in most cases analyzed, based on a quantitative end score.
The models and analysis methodologies developed as part ofthis Thesis work have improved understanding ofthe behavior ofthese structures, and offered possibilities to improve and optimize designs in the future.
Els murs de contenció amb sòl reforçat són estructures materialment més eficients que altres solucions constructives alternatives, com ara els murs de gravetat o en voladís. No obstant això, el seu comportament i les interaccions entre els materials que componen aquestes estructures són complexos i no entesos completament. Els mètodes de disseny actuals solen estar limitats a casos senzills respecte a les propietats dels materials, la geometria i les condicions de contorn. Models numèrics avançats utilitzant elements finits i/o diferències finites ofereixen la possibilitat d'ampliar la comprensió d’aquests sistemes estructurals i de
predir el comportament de l'estructura en condicions de servei.
En aquesta Tesi s'han desenvolupat models numèrics que han demostrat donar prediccions satisfactòries del comportament d’aquest tipus de murs quan es comparen amb resultats obtinguts d'estructures físiques instrumentades. Aquests models verificats han estat útils per a poder fer anàlisis de sensibilitat segons diferents geometries del parament i condicions de contorn, paràmetres dels materials i diferents models constitutius. Com a exemple dels resultats obtinguts, s’ha determinat que la capacitat de compressió de les peces de recolzament dels panells prefabricats modifica de manera significativa la càrrega desenvolupada vertical axial en el parament, però no té un efecte significatiu en la tensió desenvolupada a les capes de reforç del sòl. O també, que la rigidesa del sòl de fonamentació té un efecte més gran sobre la tensió desenvolupada en elements de reforç metàl·lics que en polimèrics. Ha estat possible dur a terme anàlisis de sensibilitat utilitzant els paràmetres que defineixen les interaccions sòl-estructura. Aquestes interaccions han estat analitzades utilitzant diferents programes comercials numèrics i definint-les amb elements del medi continu tant en models 2D com en 3D. Com a part de la Tesi, s'han de dut a terme assaigs de laboratori d'extracció de reforços tipus malla metàl·lica i banda polimèrica. Els paràmetres que tenen una influència principal en la interacció sòl-reforç han sigut identificats, quantificats i comparats tant amb els valors per defecte de disseny com amb valors reportats a la literatura utilitzats per a calibrar models analítics, permetent el calibratge dels models numèrics generats. Dels resultats dels models 2D i 3D s’han obtingut correlacions que permeten concloure que els models 2D en deformació plana són adequats per a representar el funcionament de les estructures de sòl reforçat amb elements de reforç discontinus a la direcció del parament.
Mitjançant una avaluació adequada de la sostenibilitat ha estat possible fer comparacions quantitatives entre estructures de sòl reforçat i altres alternatives constructives que compleixen la mateixa funció (com els murs de gravetat o en voladís) construïdes a diferents altures. Mitjançant un model basat en la teoria de la utilitat multiatribut i d’anàlisi de valor per a la presa de decisions, es van identificar els processos més representatius i de major impacte des d’un punt de vista sostenible. Els resultats obtinguts inclouen un ajust basat en
possibles escenaris de presa de decisió per la importància relativa dels tres pilars de la sostenibilitat (ambiental, econòmic, i social/funcional). L'alternativa de sòl reforçat va resultar ser la millor, obtenint una puntuació més alta en gran part dels escenaris de presa de decisió considerats. En base a una puntuació quantitativa final, els murs de sòl reforçat van resultar ser la millor opció en la majoria dels casos analitzats.
Els models i metodologies d'anàlisi desenvolupades com a part de aquest treball de Tesi han millorat la comprensió del comportament d’aquestes estructures, i ofereixen possibilitats per a millorar i optimitzar els seus dissenys en el futur
Los muros de contención con suelo reforzado son estructuras materialmente más eficientes que otras soluciones constructivas alternativas, tales como los muros de gravedad o en voladizo. Sin embargo, su comportamiento y las interacciones entre los materiales que componen estas estructuras son complejos y no completamente comprendidos. Los métodos de diseño actuales suelen estar limitados a casos sencillos con respecto a las propiedades de los materiales, la geometría y las condiciones de contorno. Modelos numéricos avanzados utilizando elementos finitos y/o diferencias finitas ofrecen la posibilidad de ampliar la comprensión de estos sistemas y de predecir el comportamiento de la estructura en condiciones de servicio.
En esta Tesis se han desarrollado modelos numéricos que han demostrado dar predicciones satisfactorias del comportamiento de este tipo de muros cuando se comparan con resultados obtenidos de estructuras físicas instrumentadas. Estos modelos verificados han sido útiles para análisis de sensibilidad según diferentes geometrías del paramento y condiciones de contorno, parámetros de los materiales y diferentes modelos constitutivos. Como ejemplo de los resultados obtenidos, la capacidad de compresión de las piezas de apoyo de los paneles
prefabricados modifica de manera significativa la carga vertical axial desarrollada en el paramento, pero no tiene un efecto significativo en la tensión desarrollada en las capas de refuerzo del suelo. O también, que la rigidez del suelo de cimentación tiene un mayor efecto sobre la tensión desarrollada en elementos de refuerzo metálicos que en poliméricos. Ha sido posible llevar a cabo análisis de sensibilidad utilizando los parámetros que definen las
interacciones suelo-estructura. Tales interacciones han sido analizadas utilizando diferentes programas numéricos comerciales y definiéndolas con elementos del medio continuo tanto en modelos 2D como 3D. Como parte de la Tesis, se han llevado a cabo ensayos de laboratorio de extracción de refuerzos tipo malla metálica y banda polimérica. Los parámetros que tienen una mayor influencia en la interacción suelo-refuerzo han sido identificados, cuantificados y
comparados tanto con los valores por defecto de diseño como con valores reportados en la literatura usados para calibrar modelos analíticos, permitiendo la calibración numérica de los modelos generados. De los resultados de los modelos 2D y 3D se han obtenido correlaciones que permiten concluir que los modelos 2D en deformación plana son adecuados para representar el funcionamiento de las estructuras de suelo reforzado con elementos de refuerzo
discontinuos en la dirección del paramento.
Con una evaluación adecuada sostenibilidad ha sido posible hacer comparaciones cuantitativas entre estructuras de suelo reforzado y otras alternativas constructivas que cumplen la misma función (tales como los muros de gravedad o en voladizo) construidas a diferentes alturas. Mediante un modelo basado en la teoría de la utilidad multiatributo y
análisis de valor para la toma de decisiones, se identificaron los procesos más representativos y de mayor impacto desde un punto de vista sostenible. Los resultados obtenidos incluyen un ajuste basado en posibles escenarios de toma de decisión por la importancia relativa de los tres pilares de la sostenibilidad (ambiental, económico, y social/funcional). La alternativa de suelo reforzado resultó ser la mejor, obteniendo una mayor puntuación en gran parte de los escenarios de toma de decisión considerados. En base a una puntuación final cuantitativa, los muros de suelo reforzado resultaron ser la mejor opción en la mayoría de los casos analizados.
Los modelos y metodologías de análisis desarrolladas como parte de este trabajo de Tesis han mejorado la comprensión del comportamiento de estas estructuras, y ofrecen posibilidades para mejorar y optimizar sus diseños en el futuro