Studies of the influence of non-linear stress–strain characteristics in soil–structure interaction

Abstract

Recent field and laboratory studies have shown that, even at very small strains, many soils exhibit non-linear stress–strain behaviour. Nevertheless, because of its convenience, linear elasticity will continue to play an important role in the analysis of such problems as settlement, deformation and soil–structure interaction. In this Paper the measured non-liqear stress–strain properties of a low plasticity clay are used in the finite element analysis of footings, piles, excavations and pressuremeter tests to assess the influence of small strain non-linearity in comparison with linear elastic behaviour. In all cases non-linear behaviour results in the concentration of strain and deformation towards the loading boundaries. This is shown to have important consequences for soil–structure interaction problems such as settlement profiles, pile group interaction and contact stress distributions. Small strain non-linearity also has a significant influence on the interpretation in terms of equivalent elastic moduli of in situ deformation tests (e.g. plates and pressuremeters) and of field measurements. It is concluded that, although linear elasticity remains a convenient tool for expressing measurements of soil stiffness, unless the non-linear nature of soils is taken into account, soil–structure interaction computations and the interpretation of field measurements can be misleading. Des essais in situ et des études en laboratoire de date récente ont démontré que beaucoup de sols ont un comportement contrainte–déformation non-linéaire, même à des déformations extrêmement faibles. Cependant à cause de sa commodité l'élasticité linéaire continuera à jouer un rôle important dans l'analyse des problèmes tels que le tassement, la déformation et l'interaction entre le sol et la construction. Dans cet article les propriétés contrainte–déformation non-linéaires d'une argile de faible plasticité ont utilisés dans l'analyse à éléments finis des semelles, des pieux, des excavations et des essais pressiomètriques an d'évaluer l'influence de la non-linéarité à faibles contraintes en comparaison avec le comportement élastique linéaire. Dans tous les cas le comportement non-linéaire produit une concentration de contraintes et de déformations vers les limites de chargement. On démontre que ceci a des conséquences importantes pour les problèmes d'interaction entre le sol et la construction, tels que les profils de tassement, l'interaction entre des groupes de pieux et les distributions de contraintes au contact. La non-1inéarité à faibles contraintes influence aussi de façon importante l'interprétation des essais de déformation en place, par exemple, plaques et pressiomètres, et les mesures in situ en fonction de modules élastiques équivalents. Tandis que l'élasticité linéaire reste encore une méthode correcte pour exprimer des mesures de la rigidité du sol, on tire la conclusion que les calculs de l'interaction entre le sol et la construction et l'interprétation des mesures in situ peuvent induire en erreur, à moins qu'on ne tienne compte de la nature non-linéaire des sols.