Numerical Modelling of a Corrugated Metal Box Culvert

ABSTRACT: Corrugated metal culverts provide one of the most promising techniques for shallow tunnelling and contribute to improving transportation network infrastructure worldwide. These culverts, with an open section profile, can extend to spans greater than 30 m for single or multiple lanes. This paper presents two-dimensional numerical finite element modelling of a full-scale corrugated metal box culvert in Lidkoping, Sweden. The culvert has a medium span of about 8 m, with an internal rise of 2.5 m. The models developed include detailed backfilling simulation, where the effect of including compaction effort modelling to estimate the soil-culvert interaction response is investigated by performing the analysis with and without compaction. Moreover, the analysis also compares the suitability of using three different constitutive material models. The linear elastic (LE) model, the Mohr-Coulomb (MC) model, and the hardening soil (HS) model are used to simulate the behaviour of the backfill soil. Field measurements of vertical deformations and bending moments are compared with the numerical modelling results and with values calculated by using the Canadian Highway Bridge Design Code (CHBDC) theoretical approach for box culverts. In addition, the paper presents the arching actions around the culvert body resulting from the relative stiffness of the culvert and the adjacent soil. Key words: Box culverts, numerical modelling, arching, compaction.

RÉSUMÉ: Les ponceaux en tôle ondulée constituent l’une des techniques les plus prometteuses pour creuser des tunnels peu profonds et contribuent à améliorer l’infrastructure du réseau de transport dans le monde entier. Ces ponceaux, à section ouverte, peuvent s’étendre sur plus de 30 m pour des voies simples ou multiples. Cet article présente la modélisation numérique bidimensionnelle des éléments finis d’un ponceau en tôle ondulée à grande échelle à Lidköping, en Suède. Le ponceau a une portée moyenne d’environ 8 m, avec une élévation interne de 2,5 m. Les modèles développés comprennent une simulation de remblayage détaillée, où l’effet d’inclure la modélisation de l’effort de compactage pour estimer leLa réponse à l’interaction du ponceau est étudiée en effectuant l’analyse avec et sans compactage. De plus, l’analyse compare également la pertinence d’utiliser trois modèles de matériaux constitutifs différents. Le modèle élastique linéaire (LE), le modèle Mohr-Coulomb (MC) et le modèle de durcissement du sol (HS) sont utilisés pour simuler le comportement du sol de remblayage. Les mesures sur le terrain des moments de déformation verticale et de flexion sont comparées aux résultats de la modélisation numérique et aux valeurs calculées à l’aide de l’approche théorique du Code canadien de conception des ponts routiers (CCBDL) pour les ponceaux de boîtes. De plus, l’article présente les actions en arc autour du corps du ponceau résultant de la rigidité relative du ponceau et du sol adjacent.