The dragload on pile groups in consolidating ground was investigated based on a numerical analysis. The case of a single pile and subsequently the response of groups were analyzed by 2D and 3D finite element studies. Conventional continuum elements and special slip elements were used in the analyses for comparison. Based on a limited parametric study, it is shown that dragload for a single pile and group effect are normally overestimated by continuum analyses, compared with the predictions by the slip analyses. The group effect was examined from the slip analysis by considering various factors such as pile configurations, surface loading, interface friction coefficient, and axial loading on piles. An examplary analysis and one previous experimental observation of dragload and group effects were back-analysed. The case histories demonstrated that the slip analysis might predict a better estimate of dragload and group effect compared to the no-slip continuum analysis.
A series of two-dimensional (2D) finite element analyses have been performed to study the behaviour of single piles in consolidating ground. The analysis was conducted based on coupled analyses by considering changes of pore water pressure in the clay. In the analyses the soil slippage at the pile and the soil interface has been included. The method widely used in practice somewhat overestimates dragload by about 25% compared to the rigorous numerical analysis since partial mobilization of skin friction near neutral plane and reductions in the vertical soil stress is not incorporated. When soil slip develops at most of the pile length at the pile-soil interface during consolidation, further increases in dragload is not significant. Application of coating on the pile surface can reduce dragload and pile settlement substantially, but under an axial load on the pile head very large pile settlement can be developed unless pile tip is located to a stiff bearing layer.
In the present work, a number of advanced three-dimensional (3D) parametric finite element numerical analyses have been conducted to study the behaviour of single piles and pile groups in consolidating ground from coupled consolidation analyses. Single piles, $4{\times}4$ and $6{\times}6$ piles inside groups with a spacing of 2.5D were considered, where D is the pile diameter. It has been found that dragload and downdrag on the piles developed rather quickly at the early stage of consolidation. However, when the degree of consolidation was more than 50~75%, only little increases of dragload and downdrag were induced on the pile. Negative Skin Friction (NSF) on the pile in the fill layer was mobilised quickly and remained constant throughout further consolidation. The development of NSF is influenced both by the relative shear displacements at the pile-soil interface and the vertical effective soil stresses during consolidation. The former governed the early stage of consolidation and the latter affected the later stage of consolidation. The vertical effective soil stresses adjacent to the piles were reduced due to the shear stress transfer at the pile-soil interface, in particular for piles inside the pile groups. The range of NSF influence zone concerning the reductions of the effective vertical soil stresses was about 20D measured from the piles in the horizontal direction. On the contrary, the effective horizontal soil stresses acting on the piles were similar to those at the far field.
A centrifuge model study is carried out to investigate the behavior of pile subject to negative skin friction induced by pile installation, ground water drawdown and surcharge loading. A single end-bearing pile is examined as the induced negative skin friction would induce the most severe stress on the pile structural material as compared to friction piles. In addition, the behavior of the pile under simultaneous negative skin friction and dead/live loads is examined. To facilitate detailed interpretations of the test results, the model setup is extensively instrumented and involves elaborate test control schemes. To further examine the phenomenon of negative skin friction on an end-bearing pile, finite element analyses were conducted. The numerical analysis is first validated against the centrifuge test data and subsequently extended to examine the effects of pile slenderness ratio, surcharge intensity and pile-soil stiffness ratio on the degree of mobilization of negative skin friction induced on the pile. Finally experimental and numerical studies are conducted to examine the effect of applied transient live load on pile subject to negative skin friction.
The microcomputer program PileNSF (Pile Negative Skin Friction) is developed by the authors in a graphical user interface (GUI) environment using $MATLAB^{(R)}$ for predicting the bearing capacity of a pile embedded in a consolidating ground by surcharge loading. The proposed method extends the one-dimensional soil-pile model based on the nonlinear load transfer method in OpenSees to perform an advanced one-dimensional consolidation settlement analysis based on finite strain. The developed program has significant features of incorporating Mikasa's finite strain consolidation theory that accounts for reduction in the thickness of the clay layer as well as the change of the soil-pile interface length during the progress of consolidation. In addition, the consolidating situation of the ground by surcharge filling after the time of pile installation can also be considered in the analysis. The program analysis by the presented method has been verified and validated with several case studies of long-term test on single piles subjected to negative skin friction. Predicted results of negative skin friction (downdrag and dragload) as a result of long from consolidation settlement are shown to be in good agreement with measured and observed case data.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.29
no.1C
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pp.33-39
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2009
Vertical soil stress near a pile subjected to negative skin friction (NSF) may be reduced due to shear transfer at the pile-soil interface. A three-dimensional finite difference analysis has been performed to clarify the influence of vertical and horizontal stress reductions on the pile behavour. In addition, a simple equation has been proposed to estimate vertical stress reduction of the soil near the pile. The vertical and horizontal stresses are reduced by substantial amount compared to corresponding stress components at the Greenfield condition. The horizontal extent of vertical stress reduction of the soil near the pile is rather limited to about up to 4-8 D, where D is the pile diameter. The findings from the current research indicate that widely used $\beta$-method may result in over-estimation of dragload (compressive force on piles due to NSF) and hence stress reduction needs to be incorporated in the original equation.
Mukhtiar Ali Soomro;Naeem Mangi;Dildar Ali Mangnejo;Zongyu Zhang
Geomechanics and Engineering
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v.35
no.6
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pp.603-615
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2023
Population growth and urbanization prompted engineers to propose more sophisticated and efficient transportation methods, such as underground transit systems. However, due to limited urban space, it is necessary to construct these tunnels in close proximity to existing infrastructure like high-rise buildings and bridges. Battered piles have been widely used for their higher stiffness and bearing capacity compared to vertical piles, making them effective in resisting lateral loads from winds, soil pressures, and impacts. Considerable prior research has been concerned with understanding the vertical pile response to tunnel excavation. However, the three-dimensional effects of tunnelling on adjacent battered piled foundations are still not investigated. This study investigates the response of a single battered pile to tunnelling at three critical depths along the pile: near the pile shaft (S), next to the pile (T), and below the pile toe (B). An advanced hypoplastic model capable of capturing small strain stiffness is used to simulate clay behaviour. The computed results reveal that settlement and load transfer mechanisms along the battered pile, resulting from tunnelling, depend significantly on the tunnel's location relative the length of the pile. The largest settlement of the battered pile occurs in the case of T. Conversely, the greatest pile head deflection is caused by tunnelling near the pile shaft. The battered pile experiences "dragload" due to negative skin friction mobilization resulting from tunnel excavation in the case of S. The battered pile is susceptible to induced bending moments when tunnelling occurs near the pile shaft S whereas the magnitude of induced bending moment is minimal in the case of B.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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