Theoretical modelling of embankments based on pile foundations

Piled foundations are commonly employed to reduce settlements in artificial earth embankments on soft soil strata. To limit the number of piles and, consequently, construction costs, popular is the use of geosynthetic reinforcements laid at the embankment base. Due to the complex interaction phenomena occurring between (i) piles, (ii) foundation soil, (iii) embankment soil and (iv) geosynthetics, different aspects such as either time dependency or friction between piles and surrounding soil are often ignored. Moreover, simplified displacement-based approaches to choose reinforcements, pile diameter and spacing are missing in the literature. In this thesis, a series of numerical analyses are performed and, by using an upscaling procedure based on both the concept of sub-structuring of the spatial domain and plane of equal settlements, a theoretical method capable of represent the mechanical behaviour of geo-reinforced piled embankments is introduced. The effect of: (i) friction between piles and soil; (ii) consolidation occurring within the foundation soil and (iii) settlements at the pile base is considered. By sub-structuring the spatial domain, rheological models are provided to evaluate settlements at the top of the embankment. In particular, predictive tools allowing a rapid assessment of both (i) differential and average settlements at the top of the embankment and (ii) (when geosynthetics are present) the maximum tensile force acting within the basal reinforcement have been conceived.

Fondazioni profonde vengono comunemente impiegate per ridurre i cedimenti dei rilevati artificiali in terra realizzati su strati di terreno soffice. Per limitare il numero di pali e, di conseguenza, i costi di costruzione, è diffuso l'uso di geosintetici posti alla base del terrapieno come rinforzo. A causa dei complessi fenomeni di interazione che si verificano tra (i) pali, (ii) terreno di fondazione, (iii) rilevato e (iv) geosintetici, diversi aspetti, come la dipendenza dal tempo o l'attrito tra pali e terreno circostante, vengono spesso ignorati. Inoltre, in letteratura mancano approcci semplificati basati sul calcolo dei cedimenti per scegliere i rinforzi, il diametro del palo e la spaziatura. In questa tesi vengono eseguite una serie di analisi numeriche e, utilizzando una procedura di upscaling basata sia sul concetto di sottostrutturazione del dominio spaziale che di piano di ugual cedimento, viene introdotto un metodo teorico in grado di rappresentare il comportamento meccanico dei rilevati su pali geo-rinforzati alla base. Vengono considerati gli effetti indotti da: (i) l’attrito tra pali e suolo; (ii) il processo di consolidazione del terreno di fondazione e (iii) i cedimenti alla base dei pali. Sottostrutturando il dominio spaziale, vengono forniti modelli reologici per valutare i cedimenti alla sommità del rilevato. In particolare, sono stati concepiti strumenti predittivi che consentono una rapida valutazione sia (i) del cedimento differenziale e medio alla sommità del rilevato che (ii) (in presenza di geosintetici) della massima forza di trazione agente all'interno del georinforzo.