A simple technique to model temporary excavation support systems in unsaturated soils

ABSTRACT: Excavation support systems (ESS) are often located above the ground water table (GWT) where the soil is typically in an unsaturated state. The presence of capillary suction within the vadose zone contributes towards an increase in the soil shear strength and stiffness. However, current design procedures ignore the contribution of capillary suction and assume saturated soil conditions. This is because reliable prediction of the mechanical behavior of unsaturated soils is challenging. Meanwhile, extending saturated soil mechanics principles result in an erroneous design for ESS, especially in arid regions, where the GWT is typically deep. In this paper, a simple numerical technique is proposed to investigate the performance of cantilever diaphragm walls in unsaturated soils. The only information required in addition to the conventional saturated soil properties is the soil water characteristic curve. Numerical analysis is carried out with SIGMA/W to determine deformations and wall straining actions. The results of the study suggest that ignoring capillary suction results in a conservative design. In addition, estimates of deformations, forces and moments are erroneous. This study is of interest for practicing engineers as it provides a simple yet reliable approach for the rational design of ESS extending mechanics of unsaturated soils.

RÉSUMÉ: Les systèmes de support d'excavation sont souvent situés au-dessus de la nappe phréatique (GWT) où le sol est généralement dans un état non saturé. La présence d'une succion capillaire dans la zone vadose contribue à une augmentation de la résistance au cisaillement et de la rigidité du sol. Cependant, les procédures de conceptions actuelles ignorent la contribution de l'aspiration capillaire et supposent elles supposent que les des conditions de sol sont saturés. En effet, la prévision fiable du comportement mécanique des sols non saturés est difficile. Cependant, l'extension des principes de la mécanique des sols saturés entraîne une conception erronée des systèmes de support d'excavation, en particulier dans les régions arides, où le GWT est généralement profond. Dans cet article, une technique numérique simple est proposée pour étudier les performances des parois moulées en porte-à-faux dans les sols non saturés. La seule information requise en plus des propriétés conventionnelles du sol saturé est la courbe caractéristique de l'eau du sol. Une analyse numérique est réalisée avec SIGMA/W pour déterminer les déformations et les actions de déformation des parois. Les résultats de l'étude suggèrent que l'ignorance de la succion capillaire entraîne une conception conservatrice. Les estimations des déformations, des forces et des moments sont erronées. Cette étude est intéressante pour les ingénieurs en exercice car elle fournit une approche simple mais fiable pour la conception rationnelle de systèmes de support d'excavation étendant la mécanique des sols non saturés.