Effect of Groundwater Variation on Pile Group Performance in Unsaturated Sands: A Numerical Study

RÉSUMÉ: Le comportement au tassement des groupes de pieux est généralement analysé en supposant que le sol est soit complètement sec, soit saturé, bien que les sols soient dans un état non saturé dans de nombreux scénarios. La présence d'une succion matricielle, induite par les variations de teneur en eau, influence la résistance au cisaillement et le module d'élasticité des sols non saturés. Les analyses conventionnelles basées sur la mécanique des sols saturés peuvent conduire à des estimations irréalistes de la réponse du groupe de pieux. Dans cet article, des analyses tridimensionnelles par éléments finis sont réalisées pour étudier le comportement des groupes de pieux sur des pentes non saturées dans des conditions de nappe phréatique variables. Des analyses tridimensionnelles par éléments finis (FEA) ont été réalisées pour trois configurations de groupes de pieux (3×3, 4×4 et 5×5) avec différents espacements de pieux dans des conditions de nappe phréatique variables afin de prendre en compte l'effet de la succion matricielle sur le comportement des groupes de pieux. Pour ce faire, une sous-routine définie par l'utilisateur a été implémentée dans ABAQUS pour modéliser la variation non linéaire de la résistance au cisaillement et du module d'élasticité avec les variations de succion matricielle dans les sols non saturés. Les effets du niveau de la nappe phréatique sur la capacité de charge et les tassements sont étudiés à partir de résultats numériques. Ces résultats soulignent l'importance d'intégrer la mécanique des sols non saturés dans la conception et l'analyse rationnelles des pieux en sols non saturés.

ABSTRACT: The settlement behavior of pile groups is typically analyzed assuming either fully dry or saturated condition of soils despite soils being in a state of unsaturated condition, in many scenarios. The role of matric suction associated with variations in water content has a considerable influence on the shear strength and modulus of elasticity of unsaturated soils. Extending conventional principles of saturated soil mechanics can result in unrealistic estimations of the pile group response. In this paper, three-dimensional finite element analyses (FEA) are performed to investigate the behavior of pile groups in unsaturated sands under varying groundwater table conditions. Three-dimensional FEA were performed for three pile group configurations (i.e., 3×3, 4×4 and 5×5) with different pile spacings under varying groundwater table conditions to consider the influence of matric suction on the behavior of pile groups. To achieve this, a user-defined subroutine was implemented in commercial software ABAQUS to model the nonlinear variation in shear strength and elastic modulus with respect to matric suction within unsaturated soils. The effects of varying matric suction (i.e., groundwater table variation) on the load carrying capacity and settlements are investigated based on the numerical results. The results highlight the importance of incorporating unsaturated soil mechanics in the rational design and analysis of piles in unsaturated soils.