Experimental investigation on soil foundation interaction under cyclic and monotonic loading

With the ever growing interest in performance-based approaches to seismic design, there is now an increasing awareness of the effects of the interaction between the foundation and the superstructure and its role on the overall seismic capacity of the system. In the classical seismic design approach according to capacity principle, it is generally recognized that any damage to the foundation should be avoided, while the nonlinear capacity of the system is exploited at the superstructure level alone. One of the most important challenge and criteria that must always be considered in the design of structures is to correctly predict all the structure movements and find out the movement limitation that structure can resist. To get a correct prediction and safe design all the displacements and forces induced by the nature or even by human factors on the structure must be analyzed and taken into account carefully. Many cyclic loads of different nature may affect civil and environmental structures, such as wind effect, sea-wave actions and earthquake. From the geotechnical point of view and by considering the soil-structure interaction these extreme and complex loading paths can cause large irrecoverable and plastic deformation in the soil. Sometimes these loads become the dominant factor in the design and may cause significant changes in the structure of the soil, even causing a shear rupture, heave, void deformation and important compaction. Hence the analytical and experimental modeling under such a complex loading paths requires to analyze a post-yielding behavior for both soil and foundation response. It is then evident the importance of studying effects of cyclic loads on the foundation, but empirical data are still far from sufficient, both for shallow and deep foundation. This thesis deals with soil-foundation interaction by considering shallow and foundation under cyclic loads. The work is divided into two parts: 1- Experimental works: This part has been performed by means of the small scale experimental set up available at the geotechnical laboratory of the department of the civil and environmental engineering at Politecnico di Milano. This machine is capable to apply cyclic or monotonic, horizontal and vertical loads. In this study loose Ticino River sand was used, with the relative density about 40%. Several types of cyclic tests were performed. The experimental results have been interpreted in terms of generalized stress-strain variables, by studying and quantifying in particular (i) the global stiffness and damping properties of the foundation system and their evolution with cycling, (ii) the ratcheting phenomenon along both vertical and horizontal directions, and (iii) the coupling effect between vertical and horizontal loads. This latter issue, in particular, plays an important role even at low number of cycles, i.e. when the behaviour of the system is often considered in the design practice to be linear elastic, since it has been observed that the average stiffness of the system remarkably depends on the loading direction. The results appear to be particularly useful in the light of a reliable displacement-based design procedure for the deep foundation, as required by the current design standards. 2- Numerical Interpretation by Using the Macro-Element: A Soil-foundation interaction modeling approach is presented, with an emphasis on the macro- element model. The present part is aimed at giving a contribution to the description of the mechanical response of the system by presenting the results of a small scale experimental campaign on different kinds of foundations. By studying initially monotonic tests results, by considering the generalized stress path, regarding each monotonic test, it is possible to analytically define the interaction domain by means of macro-element approach for the different geometries of the foundation. In the monotonic part, the coupling between vertical and horizontal direction is presented by studying the kinematic of the system, and also it is confirmed that the system is non-associated. After defining the interaction domain, a deeper investigation on the response to several cyclic loading paths, combining vertical and horizontal loads, will be presented. The experimental results will be interpreted in particular in terms of the average stiffness and of the damped energy of each cycle, as well as in terms of the accumulation of permanent displacements during cycling. A clear increase in stiffness and decay in dissipated energy will be observed after applying number of cycles, and influence of the loading path and the type of the foundation has been studied.

Con il crescente interesse per gli studii basati sulle prestazioni di progettazione antisismica, vi è oggigiorno una crescente consapevolezza degli effetti dell'interazione tra la fondazione e la sovrastruttura e il suo ruolo della complessiva capacità sismica del sistema. Nel classico approccio della progettazione antisismica secondo il principio della capacità, è generalmente riconosciuto che dovrebbe essere evitato qualsiasi danno alla fondazione, mentre la capacità non lineare del sistema viene sfruttata a livello della sola sovrastruttura. Uno dei più importanti criteri che deve sempre essere considerato nella progettazione delle strutture è quello di prevedere correttamente tutti i movimenti e di trovare lo spostamento limite che la struttura può subire. Per ottenere una stima corretta e un progetto che rispetti i parametri di sicurezza devono essere analizzati e presi in considerazione attentamente tutti gli spostamenti e le forze dovuti dalla natura e dai fattori antropologici sulla struttura. Carichi ciclici di diversa natura possono influenzare le strutture civili ed ambientali, come l’effetto del vento o le azioni dovute dalle onde del mare e del terremoto. Dal punto di vista geotecnico considerando l'interazione terreno-struttura questi percorsi di carico estremi e complessi possono provocare deformazioni irreversibili e plastiche nel terreno. Talvolta questi carichi diventano il fattore dominante nella progettazione e possono causare cambiamenti significativi nel suolo, provocando perfino rotture a taglio, sollevamento, deformazioni e compressioni. Da qui la modellazione analitica e sperimentale sotto tali complessi percorsi di carico richiede di analizzare il comportamento del suolo e della fondazione dopo il cedimento. E 'quindi evidente l'importanza dello studio degli effetti dei carichi ciclici sulla fondazione, ma i dati empirici non sono ancora sufficienti per studiare la parte superficiale e profonda della fondazione. Questa tesi si occupa dello studio dell’interazione tra fondazione e terreno considerando la superficie e la fondazione sotto carichi ciclici. Il lavoro è diviso in due parti: 1- Lavori sperimentali: Questo esperimento è stato eseguito su piccola scala presso il laboratorio di geotecnica del dipartimento di ingegneria civile e ambientale del Politecnico di Milano. Lo strumento utilizato è in grado di applicare carichi ciclici o monotoni, orizzontali e verticali. In questo studio è stata usata la sabbia sciolta del fiume Ticino, con densità relativa di circa il 40%. Sono stati eseguiti vari tipi dis proves cicliche. I risultati sperimentali sono stati interpretati in termini di variabili generalizzate sforzo-deformazione, studiando e quantificando in particolare (i) la rigidità globale e lo smorzamento del sistema di fondazione e la loro evoluzione durante l’applicazione del carico ciclico, (ii) accumulo ciclico di deformazioni di lungo la direzione verticale ed orizzontale, (iii) l’effetto del mutuo accoppiamento del carico orizzontale e verticale. Quest'ultimo problema, in particolare, gioca un ruolo importante anche sotto un basso numero di cicli, vale a dire quando il comportamento del sistema è ancora in campo elastico lineare, in quanto è stato osservato che la rigidità media del sistema dipende notevolmente dalla direzione di carico. I risultati appaiono particolarmente utili alla luce di uno spostamento basato sulla procedura di progettazione per la fondazione profonda, come richiesto dagli standard odierni. 2- Interpretazione numerica attraverso i macroelementi: Viene presentato un approccio di modellazione di interazione fondazione-terreno, con l'accento sul modello dei macro-elementi. La presente parte mira a dare un contributo alla descrizione della risposta meccanica del sistema presentando i risultati di una campagna sperimentale su piccola scala condotta su diversi tipi di fondazioni. Studiando inizialmente i risultati dei test monotoni, considerando il percorso di stress, riguardo ogni prova monotona, è possibile definire analiticamente il dominio di interazione mediante l’approccio dei macro-elementi per le diverse geometrie della fondazione. Nella parte monotona, l'accoppiamento tra la direzione verticale ed orizzontale viene presentato studiando la cinematica del sistema, conferma che il sistema è non associato. Dopo aver definito il dominio di interazione, sarà presentato un approfondimento sulla risposta a diversi percorsi di carico ciclici, combinando carichi verticali ed orizzontali. I risultati sperimentali saranno interpretati in particolare in termini di sovrapposizione degli spostamenti permanenti dovuti dal ciclo. Un chiaro aumento della rigidità e una diminuzione dell’energia dissipata viene osservata dopo in certo numero di cicli, così viene studiata l'influenza del percorso di carico sulla fondazione.