Experimental investigations into the role of geosynthetic inclusions on the earth pressure acting on buried structures

The design of subsurface structures associated with transportation and other underground facilities, such as buried pipes and culverts, requires an understanding of soil-structure interaction. These structures are usually subjected to heavy loads from the backfill material in addition to substantial traffic loads, particularly when the structure is buried at shallow depth below ground surface. The soil-structure interaction of these systems depend on several factors including the method of construction and the relative stiffness between the structure and the surrounding backfill material. To reduce earth pressure acting on buried structures, different techniques have been proposed by researchers including the installation of geosynthetic material above the structure to either reinforce the backfill soil (using geotextile or geogrid sheets) and distribute the earth loads away from the structure or to mobilize shear strength of the soil above the buried structure by installing a compressible material (e.g. EPS geofoam) immediately above the structure. This thesis is devoted to investigate the behavior of these composite soil-geosynthetic-structure systems using laboratory experiments focusing on buried rigid structures. The experimental results are compared with some of the available theoretical solutions, typically used in design. The investigations involved designing and building a test chamber and utilizing the tactile sensing technology to measure the changes in earth pressure distribution on the walls of the buried structures. The research results have been published and submitted for publication in refereed journals and conference proceedings amounting to three journal and two conference papers. The papers are compiled to produce six chapters and one appendix presented in this thesis. The role of geogrid in reducing earth loads on circular pipes buried at shallow depth and subjected to a strip load is first investigated to illustrate that this installation method can be effective only if sufficient surface movement is allowed to mobilize geogrid resistance. The rest of the thesis is devoted to study the effect of placing EPS geofoam blocks above buried conduits of circular and square shapes on the magnitude and distribution of earth pressures acting on the walls of the structure. Significant reduction in pressure was found for the case of shallow circular pipes installed with EPS geofoam inclusion and subjected to repeated surface loading. This is attributed to the compressibility of the geofoam material compared to the surrounding backfill that leads to differential ground movement and the generation of upward shear stresses above the EPS material. Lastly, The behavior of a square shaped structure overlain by geofoam material under deep burial condition is also examined and the changes in pressure as well as the drag forces developed along the sides of the box section are evaluated. A comparative study is then performed between the experimental results and the existing theoretical solutions to evaluate the validity of these solutions in designing buried conduits under different conditions.La conception des ouvrages et installations souterrainnes en lien avec les transports, tel que les conduites enfouies et caniveaux, nécessite une compréhension avancée des interactions sol-structure. Ce type de structure est habituellement exposé à de lourdes charges provenant des matériaux de remblais en plus d'importantes charges de trafic, plus particulièrement lorsque la structure est enfouie de façon superficielle. L'interaction sol-structure de ces systèmes dépend directement de nombreux facteurs, incluant la méthode de construction de l'ouvrage ainsi que la rigidité relative de la structure par rapport au matériel de remblayage employé. Pour réduire la pression de la terre agissant sur les structures enterrées, différentes techniques ont été proposées par des chercheurs, incluant l'installation de matières géo synthétiques au-dessus de la structure, à la fois pour renforcer le sol de remblai (en utilisant des géotextiles ou des feuilles géogrilles) et répartir les charges de terre loin de la structure ou déplacer la résistance au cisaillement du sol au dessus de la structure enterrée en installant un matériau compressible (par exemple Geofoam EPS) directement au-dessus de la structure. Cette thèse est consacrée à l'étude détaillée du comportement d'un système composite avec une structure sol-geosynthétique à l'aide de d'expériences de laboratoire effectuées sur des structures rigides enfouies. Les résultats expérimentaux sont comparés avec quelques solutions analytiques disponibles, généralement utilisées dans la conception. Les enquêtes comprenaient la conception et la construction d'une chambre d'essai et l'implantation de la technologie de senseurs tactiles pour enregistrer les variations dans la distribution de la pression des terres sur les parois de la structure enfouie. Les résultats de la recherche ont été publiés et soumis pour publication dans des revues arbitrées et actes de conférence, pour un total de trois papiers et deux documents de conférence. Les documents sont compilés pour produire six chapitres et une annexe présentée dans cette thèse.Le rôle des géogrilles dans la réduction des pressions des terres sur des conduites circulaires enfouies peu profondément et assujetties à une charge linéaire est tout d'abord étudié afin d'illustrer que cette méthode d'installation n'est efficace seulement lorsqu'un déplacement suffisant pour mobiliser la résistance du géogrille est possible.La seconde partie de ce mémoire est consacrée à l'effet que peut avoir l'installation de blocs de géofoam en polystyrène expansé au-dessus de conduites de forme circulaire et carré sur l'amplitude et la distribution des pressions des terres agissant sur la structure. Une réduction significative de la pression a été constatée pour le cas de conduites circulaires à faible profondeur installées avec des inclusions en Geofoam PSE et exposées à des charges de surface répétitives. Ceci est attribué à la compressibilité du matériau Geofoam par rapport au remblai qui mène un mouvement différentiel de masse ainsi que la génération des forces de cisaillement ascendantes au-dessus du matériau PSE. Le comportement d'une structure de forme carrée recouverte par un matériau Geofoam, sous condition d'enfouissement profond, est également examiné ainsi que les changements de pression et les forces de traînée développées le long des côtés de la section de la boîte sont évalués. Une étude comparative est ensuite effectuée entre les résultats expérimentaux et les solutions analytiques existantes pour évaluer la validité de ces solutions dans la conception de conduits enterrés dans des conditions différentes