Comparison of finite element and limiting equilibrium analyses for an embedded cantilever retaining wall

Abstract

The design of embedded cantilever retaining walls is often based on approximate limit equilibrium calculations. In this Paper the results of a limit equilibrium approach are compared with the results of a finite element study. Predictions of both embedment depth and maximum bending moments are compared and the finite element study is used to show the influence of such parameters as initial soil stress conditions and construction procedure. For the finite element study an elasto-plastic constitutive law is used to model the soil behaviour. The soil is assumed to behave in a fully drained manner with zero pore fluid pressures everywhere. Effective stress parameters are used to define the soil strength. The results of the comparison indicate that both the limit equilibrium method used in the Paper and the finite element approach give similar predictions of the embedment depth required to ensure stability. The maximum bending moment was calculated using two different limit equilibrium approaches. Generally it was found that predictions based on these approaches were greater than the corresponding values from the finite element analyses. In particular, for embedded cantilever walls formed by excavation in low K0 soils or by bachtIlling one of the limit equilibrium approaches provided an overestimate of almost 50% of the maximum bending moment value predicted by the finite element method at a factor of safety of 2. The results of the study indicate that some reduction in bending moment as calculated by the limit equilibrium method may therefore be warranted. La construction des murs de soutènement cantilever encastrés se base souvent sur des calculs approximatifs de I'équlibre limite. L'article compare les résultats obtenus à partir de l'équilibre limite avec ceux d'une étude à éléments finis. Des prédictions de la profondeur de l'encastrement et des moments de flexion maximaux sont comparées et l'étude à éléments finis eat utilisée afin de démontrer l'influence de certains paramètres, telsque les conditions initiales de la contrainte du sol et la méthode de construction. Dans le cas de I'étude à éléments finis une loi constitutive élasto-plastique s'emploie pour modeler le comportement du sol. On admet que le sol se comporte d'une manière pleinement drainée avec des pressions interstitielles des fluides qui sont nulles partout. La résistance du sol est définie à partir des paramètres de contrainte effective. Les résultats de la comparaison indiquent que des prédictions semblables de la profondeur d'encastrement, nécessaire pour garantir la stabilité sont données tant par la méthode d'équilibre limite décrite dans l'article que par la méthode à éléments finis. Le moment de flexion maximal a été calculé à I'aide de deux méthodes différentes d'équilibre limite. On trouve qu'en général la prédictions basées sur ces méthodes sont plus élevées que lea valeurs correspondantes obtenues à partir des analyses à éléments finis. Notamment pour les mnrs de soutènement cantilever encastrés formés par I'excavation dans des sols à K0 réduit et par remblayage I'une des methodes d'équilibre limite fournit une surévaluation de presque 50% de la valeur maximale du moment de flexion predite par la méthode à éléments finis avec un facteur de sécurité 2. Les résultats de l'étude indiquent qu'une certaine réduction du moment de flexion calculé par la méthode d'équilibre limite peut alors être justifrée.