15
Soldier pile wall – Limit Equilibrium – Non‐linear Analysis Created by Deep Excavation LLC, Astoria, New York Page 1 Soldier pile wall excavation analyzed with limit equilibrium and nonlinear analysis methods DeepXcav software program (Version 2011) (ParatiePlus within Italy) Document Version 1.0 Issued: 2August2012 Deep Excavation LLC www.deepexcavation.com

Soldier Pile Wall

Embed Size (px)

DESCRIPTION

PILE

Citation preview

Page 1: Soldier Pile Wall

Soldierpilewall–LimitEquilibrium–Non‐linearAnalysis 

CreatedbyDeepExcavationLLC,Astoria,NewYork Page1  

 

 

 

 

 

Soldier pile wall excavation analyzed with limit equilibrium 

and non‐linear analysis methods 

 

DeepXcav software program (Version 2011) 

(ParatiePlus within Italy) 

 

 

Document Version 1.0 

Issued: 2‐August‐2012 

Deep Excavation LLC 

www.deepexcavation.com 

 

 

 

 

 

 

Page 2: Soldier Pile Wall

Soldierpilewall–LimitEquilibrium–Non‐linearAnalysis 

CreatedbyDeepExcavationLLC,Astoria,NewYork Page2  

 

This example presents a 25 ft excavation on the right side of a soldier pile and lagging wall supported by 

one level of tiebacks (Figure 1). A surcharge with the magnitude of 0.6 ksf is added near the wall. Tables 

1 through 3 present the assumed soil, wall, and support properties respectively.  

 

Figure 1: Model of the problem. 

Table 1: Soil properties. 

Soil Layer 

Design parameter 

φ’ (deg) 

C’ (psf) 

γ (pcf) γdry (pcf) 

ELOAD (ksf) 

ERELOAD (ksf) 

F  30  0  120  120  313  939 

 

Table 2: Wall parameters. 

Soldier pile section  HP 12x74 

Soldier pile spacing  7 ft 

Wall depth  25 ft 

Steel  A50 

Lagging  2 in timber lagging 

 

Page 3: Soldier Pile Wall

Soldierpilewall–LimitEquilibrium–Non‐linearAnalysis 

CreatedbyDeepExcavationLLC,Astoria,NewYork Page3  

 

Table 3: Support parameters. 

Tieback elevation on wall  92 ft 

Tieback spacing  7 ft 

Angle  20 deg 

Free length  15 ft 

Fixed length  20 ft 

Tieback structural section  3 strand tieback 

Prestress  60 kips 

 

First we select to use English units. This can be defined from the list in the  General tab (Figure 2).  

 Figure 2: Select to use English units. 

Next, we press the button   and we choose to set the general elevation to the elevation 100 ft 

(Figure 3).  

 Figure 3: Set general elevation to 100 ft. 

Page 4: Soldier Pile Wall

Soldierpilewall–LimitEquilibrium–Non‐linearAnalysis 

CreatedbyDeepExcavationLLC,Astoria,NewYork Page4  

Next, we define the soil properties. By pressing the button   in the Properties tab of DeepXcav, we 

can define  the  soil  type properties.  Figure  4 displays  the dialog where  these parameters  are  edited. 

DeepXcav provides some useful tools for the estimation of certain soil properties. By pressing the button 

 we have access to these tests and estimators (Figure 5). 

   

Figure 4: Soil properties dialog. 

 

Figure 5: Soil properties estimation tools. 

Page 5: Soldier Pile Wall

Soldierpilewall–LimitEquilibrium–Non‐linearAnalysis 

CreatedbyDeepExcavationLLC,Astoria,NewYork Page5  

The  limit equilibrium method uses mainly  the highlighted  in  yellow parameters presented  in Table 4 

below.  The most  important parameters  are presented with bold  letters.    The  vertical  and horizontal 

permeabilities Kz and Kx are used when a flownet analysis is performed, while Kz is solely used when a 

1D simplified water flow analysis is performed. 

Table 4: General soil parameters. 

Symbol  Description 

γt  Total unit weight of soil (used below the water table) 

γdry  Dry unit weight of soil (used above the water table) 

c’  Effective soil cohesion 

Su  Undrained  shear  strength  (used  for  clays  when  undrained  modeling  is selected). In the non‐linear analysis this is used as an upper limit strength 

v  Poisson’s ratio (used for loads calculated with theory of elasticity) 

Φ’  Effective soil friction angle 

Φcv’  Constant volume effective  shearing  soil  friction angle used  in  the non‐linear analysis for clays 

Φpeak’  Peak effective soil friction angle used in the non‐linear analysis for clays 

Kx  Soil permeability at horizontal direction 

Kz  Soil permeability at vertical direction 

KoNC  Coefficient  of  at‐rest  lateral  earth  pressures  for  normally  consolidated conditions 

nOCR  Exponent for calculating Ko with Ko=KoNC*[(OCR)^(nOCR)] 

 Parameters that are used in the non‐linear analysis method are presented in Table 5. The > buttons next 

to each parameter can be used  to estimate a  soil property  from available  test data  (SPT or CPT). For 

soils, in general, the exponential soil model tends to offer the most realistic approach as it captures non‐

linear soil behavior.  

Table 5: Elasto‐plastic soil parameters. 

  Symbol  Description 

Elastic‐plastic soil behavior 

Evc  Virgin compression modulus of elasticity 

Eur  Reloading elasticity modulus 

Exponential soil behavior 

Eload  Loading elasticity modulus 

exp  Exponent 

av  Coefficient for vertical stress 

ah  Coefficient for horizontal stress 

Pref  Reference pressure 

Eur  Reloading elasticity modulus 

Subgrade‐modulus soil behavior 

Kvc  Loading subgrade reaction modulus 

kur  Reloading subgrade reaction modulus 

 

 

 

Page 6: Soldier Pile Wall

Soldierpilewall–LimitEquilibrium–Non‐linearAnalysis 

CreatedbyDeepExcavationLLC,Astoria,NewYork Page6  

In order to define the wall properties and dimension, we double click on the wall on the model. Here we 

can define the wall top elevation and the wall depth (Figure 6). In order to define the wall section, we 

press the button   (Figure 7). 

 

Figure 6: Wall data dialog. 

 

Figure 7: Edit wall section data dialog. 

 

Page 7: Soldier Pile Wall

Soldierpilewall–LimitEquilibrium–Non‐linearAnalysis 

CreatedbyDeepExcavationLLC,Astoria,NewYork Page7  

Next, we apply a  surcharge with a magnitude of 0.6 ksf  in Stage 1. This can be done by pressing  the 

button   from the toolbar on the left side of the screen and by clicking on two points on the left side 

of  the wall. Then,  the Edit distributed  load dialog appears  (Figure 8).  In  this dialog we can define  the 

exact coordinates of the load and the load magnitude. 

 

Figure 8: Edit surcharge properties dialog. 

In construction stage 2 we add a tieback support. This can be done by pressing the button   from the 

toolbar on the left side of the screen and by clicking first on the wall and next to the ground. Then, the 

Edit  support data dialog appears  (Figure 9).  In  this dialog we can define  the exact  coordinates of  the 

tieback’s place on  the wall,  the  tieback’s  free and  fixed  length,  the spacing between  the  tiebacks,  the 

installation  angle  and  the  prestress  that will  be  used  for  this  tieback  only  for  this  stage.  Figure  10 

presents the model as initially set up with our assumptions.  

 

Page 8: Soldier Pile Wall

Soldierpilewall–LimitEquilibrium–Non‐linearAnalysis 

CreatedbyDeepExcavationLLC,Astoria,NewYork Page8  

    

Figure 9: Edit support properties dialog. 

 

Figure 10: Model of the program in DeepXcav. 

Next, we choose to use wall friction as a percentage of available soil friction (50%). We apply this option 

in the Analysis tab of DeepXcav (Figure 11a). In addition, we choose to apply US allowable code settings 

in the available option in the Design tab of DeepXcav (Figure 11b). 

Page 9: Soldier Pile Wall

Soldierpilewall–LimitEquilibrium–Non‐linearAnalysis 

CreatedbyDeepExcavationLLC,Astoria,NewYork Page9  

   

Figure 11a: Wall friction. 

 

Figure 11b: US allowable settings. 

The following construction stages are created in the base design section first: 

Stage 0: Initial stages. Here we set the wall and soil parameters. 

Stage 1: Excavation on the right side of the wall to elevation 90 ft. 

Stage 2: Tieback installation. 

Stage 3: Excavation to Elevation 75 ft and surcharge application. 

Finally, in the last stage (Stage 3) we choose to change the Drive pressures to Peck, from the analysis tab 

of DeepXcav (Figure 12). 

Page 10: Soldier Pile Wall

Soldierpilewall–LimitEquilibrium–Non‐linearAnalysis 

CreatedbyDeepExcavationLLC,Astoria,NewYork Page10  

 

Figure 12: Use Peck 1969 Apparent for drive pressures in Stage 3. 

By right‐clicking with the mouse in the design sections area on the left side of the screen we can choose 

to  Edit  the  section name. We  change  it  to  “Limit‐Equilibrium”. Next,  by  right‐clicking once  again we 

choose to add as new section, and rename  it to “Non‐linear” (Figures 13a and 13b). Now, we have to 

identical design sections. 

    

Figure 13a: Rename and adding new design sections. 

 

Figure 13b: The edit section name dialog. 

In the Limit Equilibrium design section, we apply the  limit equilibrium method from the analysis tab of 

DeepXcav (Figure 14).  

Page 11: Soldier Pile Wall

Soldierpilewall–LimitEquilibrium–Non‐linearAnalysis 

CreatedbyDeepExcavationLLC,Astoria,NewYork Page11  

 

Figure 14: Limit Equilibrium method. 

In the Non‐linear design section, we use the beam on elastoplastic foundation method from the analysis 

tab of DeepXcav  (Figure 15). A Mesh Delta of 0.25  ft will be used  in  this example  for  the non‐linear 

analysis.  The Mesh  Delta  controls  the  number  of  nodes  created  along  the  wall  for  the  non‐linear 

analysis.  

 

Figure 15: Beam on elastoplastic foundations (non‐linear) method. 

We calculate both design sections by pressing the button  . After the calculation 

is completed the Analysis and checking summary table appears (Figure 16). In the non‐linear analysis the 

calculation shows in red as some design items appear to be underdesigned. 

 

Figure 16: Analysis and checking summary table. 

Page 12: Soldier Pile Wall

Soldierpilewall–LimitEquilibrium–Non‐linearAnalysis 

CreatedbyDeepExcavationLLC,Astoria,NewYork Page12  

In the Results tab of DeepXcav we can see on the screen a variety of results for all design sections and all 

design stages. The following Figures present the wall embedment safety factors, the wall moment and 

shear diagrams, the wall displacements and the soil effective stresses as calculated with DeepXcav. The 

red lines on the moment diagrams represent the design capacity of the wall. 

 

      17a. Limit Equilibrium                          17b. Non‐linear 

Figure 17: Wall embedment Safety Factors for both design sections, stage 3. 

                                                   Stage 1                                                                      Stage 2 

Figure 18: Wall moment diagrams for Limit Equilibrium analysis design section. 

                                                    Stage 2                                                                   Stage 3 

Figure 19: Wall moment diagrams for Non‐linear analysis design section. 

Page 13: Soldier Pile Wall

Soldierpilewall–LimitEquilibrium–Non‐linearAnalysis 

CreatedbyDeepExcavationLLC,Astoria,NewYork Page13  

     

                                               Stage 1                                                                 Stage 3 

Figure 20: Wall shear diagrams for Limit Equilibrium analysis design section. 

       

                                                Stage 2                                                              Stage 3 

Figure 21: Wall shear diagrams for Non‐linear design section. 

    

                                                     Stage 1                                                               Stage 3 

Figure 22: Wall displacements for Limit Equilibrium analysis design section. 

Page 14: Soldier Pile Wall

Soldierpilewall–LimitEquilibrium–Non‐linearAnalysis 

CreatedbyDeepExcavationLLC,Astoria,NewYork Page14  

     

                                                  Stage 2                                                           Stage 3 

Figure 23: Wall displacements for non‐linear analysis design section. 

     

                                                  Stage 1                                                           Stage 3 

Figure 19: Soil effective horizontal stresses for Limit Equilibrium analysis design section. 

     

                                                  Stage 0                                                           Stage 3 

Figure 20: Soil effective horizontal stresses for Non‐linear analysis design section. 

Page 15: Soldier Pile Wall

Soldierpilewall–LimitEquilibrium–Non‐linearAnalysis 

CreatedbyDeepExcavationLLC,Astoria,NewYork Page15  

      

                                                   Stage 2                                                           Stage 3 

Figure 21: Soil effective vertical stresses for Non‐linear analysis design section.