Nonlinear soil foundation interaction under cyclic loading

One of the important challenge and important factors that must always be considered in the design of structures is to correctly predict all the structure movement 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 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 deep foundation under cyclic loads. The work is divided into three 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. The experimental works is sub-divided into three parts, referred to shallow foundation, shallow foundation plus piles and deep foundation. In this study loose Ticino River sand was used, with the relative density about 40%. Several types of monotonic and cyclic tests were performed. The tests presented hereafter were performed with the aims of (i) defining the failure condition of the system (i.e. the interaction domain of the foundation in the generalised stress space V–H), (ii) describing the coupling between horizontal and vertical directions during monotonic tests, and (iii) analysing the cyclic behaviour of the system. 2- Mechanical 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. 3- The numerical analysis: For this purpose, the Distinct Element Method (DEM) has found to be a helpful numerical model for simulating the microstructure of the geo-materials. DEM introduced as a powerful numerical tool for discrete materials. DEM is using as a micromechanical model and by adopting such a discrete approach, the need of a constitutive model for the equivalent continuum is by-passed. This method provides a synthetic material that can be used to understand how the microstructure affects the macroscopic behavior. In Particular, the numerical code PFC3D, adopted for all the numerical results illustrated in the present work.

Uno degli aspetti principali che devono sempre essere considerati nella progettazione delle strutture è la corretta determinazione dei limiti di spostamento ai quali la struttura stessa è in grado di resistere. Per una corretta determinazione di tali limiti e quindi per una progettazione sicura è necessario che tutti gli spostamenti e le forze agenti sulla struttura indotte da effetti naturali o anche dal fattore umano siano presi in considerazione. I carichi ciclici di diversa natura possono influenzare le strutture civili, ad esempio l’effetto del vento, le azioni indotte dal moto ondoso marino oppure le azioni sismiche. Dal punto di vista geotecnico e considerando l’interazione suolo-struttura queste complesse e a volte estreme storie di carico possono provocare deformazioni plastiche irreversibili nel terreno. Talvolta questi carichi diventano il fattore dominante nella progettazione e possono causare cambiamenti significativi nella struttura del terreno, a tal punto da causare rotture a taglio, per eccessiva espansione o schiacciamento. Per queste ragioni per modellare analiticamente e sperimentalmente il comportamento di strutture soggette a queste azioni è necessario considerare il comportamento post-snervamento sia per il terreno che per la fondazione. E’ evidente come rivesta un ruolo fondamentale la valutazione degli effetti dei carichi ciclici sulle fondazioni; purtroppo, ad oggi, i dati sperimentali non sono sufficienti sia per quanto riguarda le fondazioni superficiali sia per le fondazioni profonde. Questa tesi tratta l’interazione suolo-struttura sia per fondazioni superficiali che profonde soggette a carichi ciclici. Il lavoro è divisa in tre parti; 1- Parte sperimentale: In questa prima parte vengono descritte le prove su piccola scala che sono state eseguite presso il laboratorio geotecnico del dipartimento di ingegneria civile ed ambientale del Politecnico di Milano. La macchina utilizzata è in grado di applicare carici monotoni, ciclici, orizzontali e verticali. Il lavoro sperimentale è stato suddiviso in tre parti: per fondazioni superficiali con e senza pali e per fondazioni profonde. In questo studio è stata utilizzata la sabbia sciolta del fiume Ticino, caratterizzata da una densità relativa di circa il 40%. Sono state eseguite varie prove con diverse condizioni di carico (carico monotoni e ciclico). Gli obiettivi di tali test sono stati molteplici: (i) definire le condizioni di collasso del sistema (il dominio di interazione della fondazione nello spazio degli sforzi generalizzati V-H), (ii) descrivere l’accoppiamento tra direzione orizzontale e verticale durante l’applicazione di un carico monotono, (iii) analizzare il comportamento ciclico del sistema. 2- Interpretazione meccanica utilizzando il Macro-Elemento: In questa seconda parte viene illustarato il modello di interazione suolo-struttura, con particolare attenzione al modello del macro-elemento. Questa parte ha l’obiettivo di fornire un contributo nella descrizione della risposta meccanica del sistema presentando i risultati della campagna di prove eseguite su piccola scala sulle differenti tipologie di fondazioni. Inizialmente vengono considerati i risultati sperimentali monotoni: prendendo in esame gli sforzi generalizzati, è stato possibile definire analiticamente il dominio di interazione utilizzando la teoria del macro elemento per le differenti geometrie delle fondazioni. Nella parte monotona, l’accoppiamento tra la direzione orizzontale e verticale viene eseguita studiando la cinematica del sistema, a conferma del fatto che il sistema non è associato. Dopo la definizione del dominio di interazione, viene presentato uno studio completo della risposta per vari percorsi ciclici di carico, combinando azioni verticali ed orizzontali. I risultati sperimentali sono stati interpretati in termini di rigidezza media, energia dissipata in ogni ciclo e spostamenti permanenti accumulati durante il percorso ciclico. Dopo un determinato numero di cicli, si osserva un aumento di rigidezza e una diminuzione dell’energia dissipata. Infine è stato studiato come il percorso di carico e la tipologia di fondazione influenzano questo fenomeno. 3- Analisi numerica: per simulare la microstruttura del geomateriale è stato utilizzato il Distict Element Method (DEM). DEM viene usato come modello micromeccanico e adottando un approccio discreto non è più necessario definire un legame costitutivo per il continuo equivalente. Questo metodo fornisce un materiale sintetico che può essere usato per comprendere come la micro-struttura influenza il comportamento macroscopico. Il codice numerico PFC3D è stato usato per tutti i risultati numerici presentati in questa tesi.