Improvement of Ground Slope Modification Factors for Cohesion and Friction Bearing Capacity Terms using Numerical Investigation of Square Footings

ABSTRACT: Series of finite element numerical simulations were carried out using PLAXIS3D commercial software to study the effect of ground slopes on bearing capacity of square footings placed on ground surface without embedment. The numerical study was carried out for cohesionless soil in drained condition and cohesive soil in undrained condition. The series of simulations were conducted by varying the ground slope angle, setback distance of footing from slope crest, footing width and shear strength parameters of soil, which were soil friction angle for cohesionless soil and undrained cohesion for cohesive soil. The range of shear strength parameter values were selected to reflect the commonly encountered values in practice. For cohesionless soil, the maximum ground slope angle was limited to the soil friction angle; while for cohesive soil, slope stability analysis was conducted to determine the maximum slope angle for each chosen value of undrained cohesion. The simulation results indicate that the effect of ground slope on bearing capacity diminishes beyond a setback distance to footing width ratio of about 0.75 for undrained cohesive soil and 2 for drained cohesionless soil. This finding agrees with the semi-analytical approach by Bowles (1997) for footings near slope. However, Bowles' approach predicted +-30% of the measured bearing capacities from the numerical simulations. On the other hand, the ground modification factors suggested by Hansen (1970) and Vesic (1975) for the conventional bearing capacity equation can be applied only for the case of footings placed on slope crest. Thus, in this paper, improved ground modification factors are proposed for the cohesion term (Nc) and friction term (Nu) of the conventional bearing capacity equation using the simulations data on cohesive soil and cohesionless soil, respectively.

RÉSUMÉ: Des séries de simulations numériques par éléments finis ont été effectuées à l’aide d’un logiciel commercial PLAXIS3D pour étudier l’effet des pentes du sol sur la capacité portante des semelles carrées placées sur la surface du sol sans intégration. L’étude numérique a été réalisée pour les sols sans cohésion dans des conditions drainées et les sols cohésifs dans un état non drainé. La série de simulations a été réalisée en faisant varier l’angle de pente du sol, la distance de retrait de la semelle par rapport à la crête de la pente, la largeur de la semelle et les paramètres de résistance au cisaillement du sol, qui étaient l’angle de frottement du sol pour un sol sans cohésion et la cohésion non tirée pour le sol cohésif. La marge des valeurs des paramètres de résistance au cisaillement a été choisie pour refléter les valeurs couramment rencontrées dans la pratique. Pour le sol sans cohésion, l’angle maximal de pente du sol était limité à l’angle de frottement du sol; tandis que pour un sol cohésif, une analyse de la stabilité des pentes a été effectuée pour déterminer l’angle de pente maximal pour chaque valeur choisie de cohésion non drainée. Les résultats de la simulation indiquent que l’effet de la pente du sol sur la capacité portante diminue au-delà d’un rapport distance de retrait à la largeur de la semelle d’environ 0,75 pour les sols cohésifs non drainés et de 2 pour les sols drainés sans cohésion. Cette constatation concorde avec l’approche semi-analytique de Bowles (1997) pour les semelles près de la pente. Cependant, l’approche de Bowles prévoyait ±30% des capacités portantes mesurées à partir des simulations numériques. D’autre part, les facteurs de modification du sol suggérés par Hansen (1970) et Vesic (1975) pour l’équation de la capacité portante conventionnelle ne peuvent être appliqués que pour le cas des semelles placées sur la crête de pente. Ainsi, dans le présent document, des facteurs améliorés de modification du sol sont proposés pour le terme de cohésion (Nc) et le terme de frottement (Nɤ) de l’équation de la capacité portante conventionnelle en utilisant les données de simulation sur le sol cohésif et le sol sans cohésion, respectivement.