Probabilistic bearing capacity analysis of reinforced strip footings by finite element method

Ning Luo

In the proceedings of: GeoVancouver 2016: 69th Canadian Geotechnical Conference

Session: FUNDAMENTALS-I Risk & Reliability

ABSTRACT: Probabilistic bearing capacity analyses of simple geosynthetic reinforced rigid smooth strip footings on layered soils were carried out using the finite element method (FEM) combined with Monte Carlo simulation considering spatial variability of soil properties. An existing open-source FEM code, which was originally developed for probabilistic bearing capacity analysis of unreinforced strip footings, was modified to include bar elements to model a horizontal layer of geosynthetic reinforcement. The unmodified FEM source code was first verified by comparing back-calculated bearing capacity factors from numerical outcomes with values published in the literature. The modified FEM (mFEM) code was checked by comparing deterministic numerical results with those given by a commercially available FEM software package using a FEM strip footing model resting on a two-layer (sand-clay) soil system with a reinforcement layer at the sand-clay interface. The effect of the reinforcement layer to increase deterministic bearing capacity of the layered soils was also demonstrated. The modified code (mFEM) was then used to carry out probabilistic analyses to investigate the effect of spatial variability of clay cohesion on the ultimate bearing capacity of a strip footing for three foundation scenarios: 1) unreinforced single clay layer; 2) unreinforced two-layer soil (sand-clay) system; and, 3) a two-layer soil (sand-clay) system with a layer of reinforcement at the soil interface. Case 1 represents a footing on natural soft ground; Case 2 represents ground improvement where a 1 m-thick layer of clay is replaced with sand; and, Case 3 is further ground improvement by adding a reinforcement layer between the sand and clay. Probabilistic results show that compared to the control Case 1, Cases 2 and 3 increased the mean value of ultimate bearing capacity significantly (qult) and reduced the coefficient of variation of bearing capacity (COVqult) by a large amount. The spatial correlation length of soil cohesion is also shown to have a large effect on the values of qult and COVqult. However, the underlying variability in normalized bearing capacity for all scenarios remains unchanged due to the inherent uncertainty of the clay cohesive strength.

RÉSUMÉ: Des analyses probabilistes de la capacité portante de semelles filantes lisses rigides simples renforcées avec géosynthétiques reposant sur des sols stratifiés, ont été réalisées à l'aide de la méthode des éléments finis (MEF) combinée avec la simulation de Monte Carlo tenant compte de la variabilité spatiale des propriétés du sol. Un code MEF source libre existant, qui a été initialement développé pour analyse probabiliste de la capacité portante des semelles filantes non armées, a été modifié pour inclure des éléments de barre pour modéliser une couche horizontale de renforcement géosynthétique. Le code source MEF non modifié a été vérifié en comparant les facteurs de capacité portante retro-calculées à partir des résultats numériques, avec les valeurs publiées dans la littérature. Le code MEF modifié (MEFm) a été vérifié en comparant les résultats numériques déterministes avec ceux données par un logiciel MEF commercial, en utilisant un modèle de semelle filante reposant sur un système de sol à deux couches (sable-argile) -argile. L'effet de la couche de renforcement pour augmenter la capacité portante déterministe des sols stratifiés a également été démontré. Le code modifié (MEFm) a ensuite été utilisé pour effectuer des la capacité portante ultime d'une semelle filante pour trois scénarios de base: 1) couche d'argile unique non-renforcée; 2) système de sol à deux couches (sable-argile) non renforcé; et, 3) un système à deux couches de sol (sable-argile) avec une couche de renforcement à l'interface du sol. Le cas 1 représente une semelle sur un sol mou naturel; le cas 2 représente l'amélioration du sol, où une couche de 1 m d'épaisseur d'argile est remplacée par du sable; et, le cas 3 est une amélioration supplémentaire du sol en ajoutant une couche de renforcement entre le sable et l'argile. Les résultats probabilistes montrent que par rapport au cas de contrôle 1, les cas 2 et 3 ont augmenté la valeur moyenne de la capacité portante ultime de manière significative (qult) et réduit le coefficient de variation de la capacité portante (COVqulteffet important sur les valeurs de qult et COVqult. Cependant, la variabilité sous-jacente de la capacité portante normalisée pour tous les scénarios, reste inchangée en raison de l'incertitude inhérente de la cohésion de l'argile.

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Cite this article:
Ning Luo (2016) Probabilistic bearing capacity analysis of reinforced strip footings by finite element method in GEO2016. Ottawa, Ontario: Canadian Geotechnical Society.

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