Chapter 5. Tolerable Foundation Deformation Criteria

5.1 Tolerable Vertical Deformation Criteria
As discussed in chapter 4, uneven displacements of bridge abutments and pier foundations can 
affect  the  ride  quality,  functioning  of  deck  drainage,  and  the  safety  of  the  traveling  public  as 
well  as  the  structural  integrity  and  aesthetics  of  the  bridge.    Such  movements  often  lead  to 
costly  maintenance  and  repair  measures.  In  contrast,  overly  conservative  criteria  can  be 
wasteful  by  leading  to  (a)  foundations  that  are  larger  than  needed,  or  (b)  choice  of  a  less 
economical  foundation  type  (such  as  using  a  deep  foundation  at  a  location  where  a  shallow 
foundation would be adequate). To determine the optimum solution for deformation criteria, 
collaboration between the geotechnical engineer and the structural engineer is needed.   
Within  the  context  of  foundation  deformation,  the  geotechnical  limit  states  can  be  broadly 
categorized  into  vertical  and  horizontal  deformations  for  any  foundation  type  (for  example, 
spread  footings,  driven  piles,  drilled  shafts,  and  micropiles).    Agencies  often  limit  the 
deformation  to  values  of  1  in.  or  less  without  any  rational  basis.    The  literature  survey 
performed as part of the TRB’s SHRP2 Project R19B (Kulicki, et al., 2015) revealed that the only 
definitive  rational  guidance  related  to  the  effect  of  foundation  deformations  on  bridge 
structures is based on a report by Moulton, et al. (1985) (Moulton). From an evaluation of 314 
bridges nationwide, the report offered the following conclusions:   
“The  results  of  this  study  have  shown  that,  depending  on  type  of  spans,  length  and 
stiffness  of  spans,  and  the  type  of  construction  material,  many  highway  bridges  can 
tolerate  significant  magnitudes  of  total  and  differential  vertical  settlement  without 
becoming  seriously  overstressed,  sustaining  serious  structural  damage,  or  suffering 
impaired  riding  quality.  In  particular,  it  was  found  that  a  longitudinal  angular  distortion 
(differential  settlement/span  length)  of  0.004  would  most  likely  be  tolerable  for 
continuous bridges of both steel and concrete, while a value of angular distortion of 0.005 
would be a more suitable limit for simply supported bridges." 
Another study (Wahls, 1983), states the following: 
"In summary, it is very clear that the tolerable settlement criteria currently used by most 
transportation agencies are extremely conservative and are needlessly restricting the use 
of spread footings for bridge foundations on many soils. Angular distortions of 1/250 of 
the span length and differential vertical movements of 2 to 4 in. (50 to 100 millimeters 
[mm]), depending on span length, appear to be acceptable, assuming that approach slabs 
or  other  provisions  are  made  to  minimize  the  effects  of  any  differential  movements 

  15 
  

between  abutments  and  approach  embankments.    Finally,  horizontal  movements  in 

excess  of  2 in.  (50  mm)  appear  likely  to  cause  structural  distress.  The  potential  for 
horizontal movements of abutments and piers should be considered more carefully than 
is done in current practice." 
Based  on  the  data  from  these  two  studies,  Article  10.5.2.2  of  AASHTO  LRFD  included  the 
guidance summarized in Table 5‐1 for the evaluation of tolerable vertical movements in terms 
of  angular  distortions.  AASHTO  (2002)  includes  the  same  criteria,  which  means  these  criteria 
are not new in LRFD specifications but can be traced back to the AASHTO (2002), based on ASD 
and LFD platform and to the work by Moulton. 
Table 5‐1: Tolerable Movement Criteria for Highway Bridges (AASHTO LRFD) 

Limiting Angular Distortion, d/LS (radians)  Type of Bridge 
0.004  Multiple‐span (continuous span) bridges 
0.008  Simple‐span bridges 
 
The criteria in Table 5‐1 suggest that for a 100‐foot span, a differential settlement of 4.8 in. is 
acceptable  for  a  continuous  span  and  9.6  in.  is  acceptable  for  a  simple  span.  These  relatively 
large values of differential settlement concerns structural designers, who often arbitrarily limit 
tolerable movements to one‐half to one‐quarter or one less order of magnitude (for example, 
0.0004 instead of 0.004) of the values listed in Table 5‐1 or develop guidance as shown in Table 
5‐2.  
Table 5‐2: Tolerable Movement Criteria for Highway Bridges (WSDOT, 2012) 
Differential Settlement over 100 ft within Pier 
Total Settlement 
or Abutments and Differential  Settlement 
at Pier or  Action 
Between Piers 
Abutment 
[Implied Limiting Angular Distortion, radians] 
d100’ ≤ 0.75"  Design and 
δ ≤ 1" 
[0.000625]  Construct 
0.75" < d100’ ≤ 3"  Ensure structure can 
1" < δ ≤ 4" 
[0.000625‐0.0025]  tolerate settlement 
d100’ > 3"  Need Department 
δ > 4" 
[> 0.0025]  approval 
Notes: 
δ = deformation  
< = less than 
> = greater than 
≤ = less than or equal to 
‘ = feet (ft) 
" = inches 
 

16 
 
  

Another  example  of  the  use  of  more  stringent  criteria  is  from  Chapter  10  of  Bridge  Design 
Guidelines  of  the  Arizona  Department  of  Transportation  (ADOT,  2015),  which  states  the 
following: 
“The bridge designer should limit the settlement of a foundation per 100 ft span to 0.75 
in. Linear interpolation should be used for other span lengths. Higher settlements may be 
used  when  the  superstructure  is  adequately  designed  for  such  settlements.  Any 
settlement  that  is  in  excess  of  4.0  in,  including  stage  construction  settlements  if 
applicable,  must  be  approved  by  the  ADOT  Bridge  Group.  The  designer  shall  also  check 
other  factors,  which  may  be  adversely  affected  by  foundation  settlements,  such  as 
rideability, vertical clearance, and aesthetics.”   
The  ADOT  guidelines  provide  additional  guidance  in  terms  of  the  S‐0  and  construction‐point 
concepts that are discussed later in this report. ADOT also provides guidance on consideration 
of creep as part of the evaluation of the effect of foundation deformations on bridge structures. 
While  from  the  structural  integrity  viewpoint,  there  are  no  technical  reasons  for  structural 
designers  to  set  arbitrary  additional  limits  to  the  criteria  listed  in  Table  5‐1,  there  are  often 
practical  reasons  based  on  the  tolerable  limits  of  deformation  of  other  structures  associated 
with a bridge (for example, approach slabs, wingwalls, pavement structures, drainage grades, 
utilities  on  the  bridge,  and  deformations  that  adversely  affect  quality  of  ride).  The  relatively 
large  differential  settlements  based  on  Table  5‐1,  should  be  considered  in  conjunction  with 
functional or performance criteria not only for the bridge structure itself but for all associated 
facilities.  Samtani and Nowatzki (2006) suggest the following steps: 
Step 1:   Identify all possible facilities associated with the bridge structure and the movement 
tolerance of those facilities. An example of a facility on a bridge is a utility (such as gas, 
power, and water).  The owners of the facility can identify the movement tolerance of 
their  facility.  Alternatively,  the  facility  owners  should  design  their  facilities  for  the 
movement anticipated for the bridge structure. 
Step 2:   Because of  the inherent uncertainty associated with estimated values of settlement, 
determine  the  differential  settlement  by  using  conservative  assumptions  for 
geomaterial properties and prediction methods. It is important that the estimation of 
angular distortion be based on a realistic evaluation of the construction sequence and 
the magnitude of loads at each stage of the construction sequence. 
Step 3:   Compare the angular distortion from Step 2 with the various tolerances identified in 
Step 1 and in Table 5‐1.  Based on this comparison, identify the critical component of 
the facility.  Review this critical component to check if it can be relocated or if it can be 
redesigned  to  more  relaxed  tolerances.  Repeat  this  process  as  necessary  for  other 

17 
 
  

facilities.    In  some  cases,  a  simple  re‐sequencing  of  the  construction  of  the  facility 
based  on  the  construction  sequence  of  the  bridge  structure  may  help  mitigate  the 
issues associated with intolerable movements. 
This  three‐step  approach  can  be  used  to  develop  project‐specific  limiting  angular  distortion 
criteria  that  may  differ  from  the  general  guidelines  listed  in  Table  5‐1.    For  example,  if  a 
compressed  gas  line  is  fixed  to  a  simple‐span  bridge  deck  and  the  gas  line  can  tolerate  an 
angular  distortion  of  only  0.002,  then  the  utility  will  limit  the  angular distortion  value  for  the 
bridge structure, not the criterion listed in Table 5‐1.  However, this problem is typically avoided 
by providing flexible joints along the utility such that it does not control the bridge design.  

5.2 Tolerable Horizontal Deformation Criteria

Horizontal  deformations  cause  more  severe  and  widespread  problems  for  highway  bridge 
structures  than  equal  magnitudes  of  vertical  movement.  Tolerance  of  the  superstructure  to 
horizontal  (lateral)  movement  will  depend  on  bridge  seat  or  joint  widths,  bearing  type(s), 
structure  type,  and  load  distribution  effects.    Moulton  found  that  horizontal  movements  less 
than 1 in. were almost always reported as being tolerable, while horizontal movements greater 
than  2 in.  were  typically  considered  to  be  intolerable.  Based  on  this  observation,  Moulton 
recommended that horizontal movements be limited to 1.5 in. The data presented by Moulton 
shows that horizontal movements resulted in more damage when accompanied by settlement 
than when occurring alone. 

5.3 Perspective on Tolerable Deformations

The AASHTO criteria are based on work done by Moulton that was based on the following: 
1. 12th Edition (1977) of AASHTO Standard Specifications for Highway Bridges.  This version of 
AASHTO specifications used the ASD platform and HS20‐44 wheel loading or its equivalent 
lane loading for live loads. 
2. The  use  of  the  following  tolerable  movements  definition  that  is  in  accordance  with  TRB 
Committee A2K03 in mid 1970s: 
“Movement is not tolerable if damage requires costly maintenance and/or repairs 
and a more expensive construction to avoid this would have been preferable.” 
The base definition of tolerable movements that was used is subjective and the work is dated 
based on an old edition of AASHTO Standard Specifications for Highway Bridges, which was not 
calibrated  based  on  reliability  concepts  like  the  current  LRFD  specifications.  Additionally, 
Moulton  indicates  that  attempts  to  establish  tolerable  movements  from  the  effects  of 
differential  settlement  analyses  on  the  stresses  in  bridges  significantly  underestimated  the 

18 
 
  

criteria  established  from  field  observations.  One  reason  Moulton  attributed  the  discrepancy 
between  analytical  studies  and  field  observations  is  that  the  analytical  studies  often  do  not 
account  for  the  construction  time  of  a  structure  and  that  components  of  the  foundation 
movement estimated based on analytical studies have already occurred before the completion 
of  the  structure.  Portions  of  structure  (for  example,  the  bridge  superstructure)  that  are 
constructed  last  do  not  have  damage  consistent  with  the  level  that  is  predicted  by  analytical 
studies  which  assume  that  all  loads  are  applied  instantaneously.  Another  reason  supporting 
Moulton’s  observations  is  that  building  materials  like  concrete  (especially  concrete  while  it  is 
curing)  are  able  to  undergo  a  considerable  amount  of  stress  relaxation  when  subjected  to 
deformations. Under conditions of very slowly imposed deformations, the effective value of the 
Young’s modulus of concrete is considerably lower than the value for rapid loading (Barker et 
al., 1991).  
All  of  the  previously  described  considerations  were  recognized  by  Moulton.  Since  the  1990s, 
valuable data have been collected that help quantify the amount of deformations that occurs as 
bridge structures are constructed. These data have led to the formulation of the construction‐
point  concept  in  FHWA  documents  (for  example,  Samtani  and  Nowatzki,  2006)  and  is  also 
discussed in chapter 6.  At a minimum, adoption of the construction‐point concept in the bridge 
design  process  will  be  a  significant  step  in  the  right  direction  towards  comparing  estimated 
foundation movements with AASHTO criteria for tolerable deformations. 

19