Under large storm loads sections of a long pipeline on the seabed can be uplifted. Numerically this loss of contact is extremely difficult to simulate, but accounting for uplift and any subsequent recontact behaviour is a critical component in pipeline on-bottom stability analysis. A simple method numerically accounting for this uplift and reattachment, while utilising efficient force-resultant models, is provided in this paper. While force-resultant models use a plasticity framework to directly relate the resultant forces on a segment of pipe to the corresponding displacement, their historical development has concentrated on precisely modelling increasing capacity with penetration. In this paper, the emphasis is placed on the description of loss of penetration during uplifting, modelled by 'strain-softening' of the force-resultant yield surface. The proposed method employs uplift and reattachment criteria to determine the pipe uplift and recontact. The pipe node is allowed to become free, and therefore, the resistance to the applied hydrodynamic loads to be redistributed along the pipeline. Without these criteria, a localised failure will be produced and the numerical program will terminate due to singular stiffness matrix. The proposed approach is verified with geotechnical centrifuge results. To further demonstrate the practicability of the proposed method, a computational example of a 1245 m long pipeline subjected to a large storm in conditions typical of offshore North-West Australia is discussed.
In offshore engineering, lateral cyclic loading may induce excessive lateral movement and bending strain in pile foundations. Previous studies mainly focused on deformation mechanisms of single piles due to lateral cyclic loading. In this paper, centrifuge model tests were conducted to investigate the response of a $2{\times}2$ pile group due to lateral cyclic loading in clay. After applying each loading-unloading cycle, the pile group cannot move back to its original location. It implies that residual movement and bending strain are induced in the pile group. This is because cyclic loading induces plastic deformation in the soil surrounding the piles. As the cyclic load increases from 62.5 to 375 kN, the ratio of the residual to the maximum pile head movements varies from 0.30 to 0.84. Moreover, the ratio of the residual to the maximum bending strains induced in the piles is in a range of 0.23 to 0.82. The bending strain induced in the front pile is up to 3.2 times as large as that in the rear pile. Thus, much more protection measures should be applied to the front piles to ensure the serviceability and safety of pile foundations.
In this study, centrifuge model tests were performed to investigate the stress concentration ratio, bearing capacity and deformation modes of piles in clay ground improved by granular piles with two types of pile (CSCP, SCP) and various replacement ratios (0, 20, 40, 60%). According to the results of tests, the load ratio of ground improved by SCP and CSCP proportionally increased as replacement ratio increased. It shows that average normalized load of ground improved by CSCP is higher by about $8{\sim}21%$ than by SCP. As a result of rigid loading tests, it was evaluated that average stress concentration ratio of CSCP is higher than that of SCP. Only expansion failure occurred in CSCP, whereas SCP showed the expansion and shear failure simultaneously.
This paper is an experimental work of estimating friction angle of very coarse grained soil such as rubble mound by performing laboratory experiments. Two crushed rocks of rubble mound were used for tests. Triaxial compression tests with drained conditions were performed to measure friction angles of soils prepared by mixing the crushed soil having an identical coefficient of uniformity with different maximum grain size distribution. Centrifuge model experiments with those soils were also performed to measure angle of repose and to estimate friction angle of soil from measuring the slope of slip line in the active stress state. Model tests were carried out by changing the G-levels of 1G and 50G. From triaxial compression tests, the measured value of friction angle of soil is in the range of $41{\sim}57^{\circ}$. The measured value of repose angle is in the range of $32{\sim}35^{\circ}$. The values of friction angle are found not so sensitive to the maximum grain size of soil as long as the coefficient of uniformity is identical. Estimated value of friction angle from measuring the slope of slip line in the active stress state is in the range of $30{\sim}46^{\circ}$. Thus, the estimated angle of friction are found to be greater in the order of the measured angle of repose, the estimated value from the slope of active state, and triaxial compression test results. On the other hand, the measured values of friction angle from triaxial tests were compared with empirical equations, based on the relation between friction angle and void ratio. Equations proposed by Helenelund(l966) and Hansen(1967) found to be relatively reliable to estimate friction angles of soil.
In this study, centrifuge model tests were fulfilled to investigate the characteristics of bearing capacity of paper ash as a filling material. The model tests were done varying the footing width and gravity level. The settlement and vertical soil pressure by loading were measured. The results from the tests were compared with the one from FLAC program using finite difference method and bearing capacity theory. After all, it was shown that the characteristics of load-settlement represented the local shear failure, which the settlement ratio s/B showed inflection point around 25~30%. As g-level and footing width were increasing, the load strength was increasing. The ultimate bearing capacity from the tests was very closed the results from Terzaghi's theory. As the distance from footing center was increasing, the vertical soil pressure was decreasing. If E/B is higher than 7, the stress by loading was almost increasing. The vertical displacement from loading was the largest one around under the footing and was almost occurred when the depth>4cm and E/B is higher than 5.0.
A numerical procedure is presented fur evaluating seismic liquefaction on sloping ground sites. The procedure uses a fully coupled dynamic effective stress analysis with a plastic constitutive model called UBCSAND. The model was first calibrated against laboratory element behavior. This involved cyclic simple shear tests performed on loose sand with and without initial static shear stress. The numerical procedure is then verified by predicting a centrifuge test with a slope performed on loose Fraser River sand. The predicted excess pore pressures, accelerations and displacements are compared with the measurements. The results are shown to be in good agreement. The shear stress reversal patterns depend on static and cyclic shear stress levels and are shown to play a key role in evaluating liquefaction response in sloping ground sites. The sand near the slope has low effective confining stress and dilates more. When no stress reversals occur, the sand behaves in a stiffer manner that curtails the accumulated downslope displacements. The numerical procedure using UBCSAND can serve as a guide for design of new soil structures or retrofit of existing ones.
The practical usage of underground space and demand for vehicular tunnels necessitate the construction of non-circular wide rectangular tunnels. However, constructing large tunnels in soft clayey soil conditions with no ground improvement can lead to excessive ground deformations and collapse. In recent years, in situ ground improvement techniques such as jet grouting and deep cement mixing are often utilized to perform cement-stabilisation around the tunnel boundary to prevent large deformations and failure. This paper discusses the stability characteristics and failure behaviour of a wide rectangular tunnel in cement-treated soft clays. First, the plane strain finite element model is developed and validated with the results of centrifuge model tests available in the past literature. The critical tunnel support pressures computed from the numerical study are found to be in good agreement with those of centrifuge model tests. The influence of varying strength and thickness of improved soil surround, and cover depth are studied on the stability and failure modes of a rectangular tunnel. It is observed that the failure behaviour of the tunnel in improved soil surround depends on the ratio of the strength of improved soil surround to the strength of surrounding soil, i.e., qui/qus, rather than just qui. For low qui/qus ratios,the stability increases with the cover; however, for the high strength improved soil surrounds with qui >> qus, the stability decreases with the cover. The failure chart, modified stability equation, and stability chart are also proposed as preliminary design guidelines for constructing rectangular tunnels in the improved soil surrounded by soft clays.
Kim, Yoon-Ah;Lee, Hae-In;Ko, Kil-Wan;Kim, Dong-Soo
Journal of the Korean Geotechnical Society
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v.36
no.11
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pp.61-70
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2020
In dynamic centrifuge tests, equivalent shear beam (ESB) container minimizes the boundary effect between the soil model and the wall of the container so as to effectively simulate the boundary conditions of real field state. The ESB container at KAIST was evaluated to be performing properly by Lee et al. (2013). However, it is necessary to re-evaluate the performance of ESB container since the ESB container may have deteriorated over time. Thus, the performance of eight-year-old ESB container was re-evaluated through dynamic centrifuge tests. Firstly, the natural period of the empty ESB container was compared with the results of Lee et al. (2013). Then the boundary effect of sand-filled ESB container was evaluated. Results show that the dynamic behavior of the sand-filled ESB container was similar to that of the ground, despite a decrease in the natural period of the empty ESB container over time. In addition, the dynamic response of the ground built in the ESB container and the same ground simulated through numerical analysis with free-field boundary conditions were similar. Therefore, it was found that the boundary effect of the ESB container due to the decrease in the natural period was not significant.
In this study, a series of centrifuge shaking-table tests for a $3{\times}3$ group pile and a single pile applied by sinusoidal wave was performed in dry sand for various pile spacings, ranging from three to seven times the pile diameter. A comparison of centrifuge tests of both single pile and group pile showed that the lateral ground response of the group pile was smaller than that of the single pile. In addition, the reduction in subgrade reaction for the group pile increased with decreasing pile spacing. The side piles, that is, the 1st row and 3rd row piles showed identical dynamic p-y behavior and the center pile in the 2nd row caused a lower reduction effect compared with the 1st and 3rd row piles. From the comparison between the p-y curves of the 2nd row piles, it was found that the lateral ground response of the outer pile in the 2nd row was less than that of the center pile in the 2nd row. The p-multipliers for the side piles, for the center pile and for the outer pile ranged from 0.28 to 0.77, from 0.55 to 1.0 and from 0.39 to 0.87, respectively.
This paper is to investigate the failure surface and modes in a soil mass by a excavation of the model ground. To study the failure surface for the excavated slope, centrifugal model tests were performed by changing the angle of the excavated slope(50, 75, $90^{\circ}$) and the ground condition($D_r$=60, 90%, dry and submerged ground). Excavation was simulated during the centrifuge tests by operating a valve that allowed the zinc chloride solvent to drain from the excavation. Results of model tests were compared with those obtained with theoretical solutions using limit equilibrium analysis method. The results of model tests show that, there is a failure to create a straight line in the low angle of excavated surface and a create a circle as the angle increases. Also, as the angle of excavated surface is increasing, the angle of the failure surface increases. The failure length in the submerged ground increases approximately 1.10~1.34 times more than that of the dry ground.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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