This paper presents a numerical study of pile force distribution in a pile group foundation subjected to vertical load and large moment. The physical modeling of a pile foundation for a wind turbine is analyzed using 3D finite element software, PLAXIS 3D. The soil profile consists of several clay layers, which are modeled as Mohr-Coulomb material in an undrained condition. The piles in the pile group foundation are modeled as special elements called embedded pile elements. To model the problem of a pile group foundation, a small gap is created between the pile cap and underlying soil. The pile cap is modeled as a rigid plate element connected to each pile by a hinge. As a result, applied vertical load and large moment are transferred only to piles without any load sharing to underlying soil. Results of the study focus on pile load distribution for the square shape of a pile group foundation. Mathematical expression is proposed to describe pile force distribution for the cases of vertical load and large moment and purely vertical load.
Blandon, Carlos A.;Krier, Christopher J.;Restrepo, Jose I.
Earthquakes and Structures
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v.16
no.4
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pp.455-468
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2019
The behavior of pile-deck connections of pile-supported marginal wharfs subjected to earthquake loading is of key importance to ensure a good performance of this type of structures. Two precast-pretensioned pile-deck connections used in the construction of pile-supported marginal wharfs were tested under cyclic loading. The first is a connection with simple reinforcement details and light steel ratio developed for use where moderate pile-deck rotation demands are expected in the wharf. The second is specifically developed to sustain the large rotation, shear force and bending moment demands, as required for the shortest piles in a marginal wharf. Data obtained from the test program is used in the paper to calibrate an equivalent plastic hinge length that can be incorporated into nonlinear analysis models of these structures when prestressed pile-deck connections with duct embedded dowels are used.
In this study, two large pile load tests were performed in the deep sand gravel deposit of Nakdong river basin so that the characteristics of the load transfer was identified. The fully instrumented rectangular barrette pile in the size of $1.5\times3.0m$ and the circular bored pile of the diameter 1.5 m were placed into the ground below 50 m. Under the applied loads of 2,400 tonf and 4,000 tonf, the test results of the load transfer showed the portion of 83% and 93% of the applied loads on the barrette pile and the bored pile, respectively, were supported by the skin friction along the pile shaft. It was revealed that the most of these skin friction mobilized in sand layer underlying clay layer having N-value more than 30 and that the friction per unit area of the bored pile was larger than the friction of barrette pile. However, if embedded in the stiff sand graval layer, the both piles were proven to be sufficient for using as the friction piles.
The problem of laterally loaded piles is particularly a complex soil-structure interaction problem. The flexural stresses developed due to the combined action of axial load and bending moment must be evaluated in a realistic and rational manner for safe and economical design of pile foundation. The paper reports the finite element analysis of pile groups. For this purpose simplified models along the lines similar to that suggested by Desai et al. (1981) are used for idealizing various elements of the foundation system. The pile is idealized one dimensional beam element, pile cap as two dimensional plate element and the soil as independent closely spaced linearly elastic springs. The analysis takes into consideration the effect of interaction between pile cap and soil underlying it. The pile group is considered to have been embedded in cohesive soil. The parametric study is carried out to examine the effect of pile spacing, pile diameter, number of piles and arrangement of pile on the responses of pile group. The responses considered include the displacement at top of pile group and bending moment in piles. The results obtained using the simplified approach of the F.E. analysis are further compared with the results of the complete 3-D F.E. analysis published earlier and fair agreement is observed in the either result.
When a lateral load is applied to a short pile whose embedded depth is relatively smaller than its diameter, an overturning failure occurs. To investigate the behavior of laterally loaded short piles, several model tests in laboratory scales had been carried out, however the behavior of large moment carrying piles for electric poles, traffic sign and road lamp, etc. have not been revealed yet. This paper deals with the real-scale load tests for 750 mm diameter short piles. To simulate the actual loading condition, very large moment was mobilized by applying lateral loads to the location 8 m away from the pile head. Three load tests changing the pile embedded lengths to 2.0 m, 2.5 m, and 3.0 m were carried out. The test piles overturned abruptly with very small displacement and rotation before the failures. These brittle failures are in contrast with the ductile failures shown in the former model tests with the relatively smaller moment to lateral load ratio. Comparisons of the test results with three existing methods for the estimation of the ultimate lateral capacity show that the method assuming the rotation point at pile tip matches well when the embedded depth is small, however, as the embedded depth increases the other two methods assuming the inversion of soil pressure with respect to rotation points in pile length match better.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.43
no.2
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pp.187-193
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2023
This paper presents the buckling behavior of a pile considering its self-weight. The differential equation and boundary conditions governing the buckling of partially embedded piles in nonhomogeneous soils are derived. The buckling load and mode shape of the pile are numerically computed by the Runge-Kutta method combined with the Regula-Falsi algorithm. The obtained numerical solutions for bucking loads agree well with the results available from the literature. Numerical examples are given to analyze the buckling load and mode shape of the piles as affected by the self-weight, embedment ratio, slenderness ratio and boundary condition of the pile as well as the aspect ratio and rigidity ratio of the subgrade reaction. It is found that the self-weight of the pile leads to the reduction of the buckling load, indicating that neglecting the effect of self-weight may overestimate the buckling load of partially embedded piles.
Due to the sea-crossing bridge span is generally large and main pier pile foundations are located in deep water and carry large vertical load, sea-crossing bridge main pier pile foundations bearing mechanism and load deformation characteristics are still vague. Authors studied the vertical bearing properties of sea-crossing bridge main pier pile foundations through pilot load tests. Large tonnage load test of Qingdao Bay Bridge main pier pile program is designed by using per-stressed technique to optimize the design of anchor pile reaction beam system. Test results show that the design is feasible and effective. This method can directly test bearing capacity of main pier pile foundations, and analysis bearing behaviors from test results of sensors which embedded in the pile. Through test study the vertical bearing properties of main pier pile foundation and compared with the generally short pile, author summarized the main pier pile foundations vertical bearing capacity and the main problem of design and construction which need to pay attention, and provide a reliable basis and experience for sea-crossing bridge main pier pile foundations design and construction.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.6
no.1
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pp.87-97
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2014
In this study, the model tests were conducted on the short piles installed in sands under a horizontal pullout load to investigate their behavior characteristics. From the horizontal loading tests where dimensions of the pile diameter and length, and loading point were varied, the horizontal pullout resistance and the rotational and translational movement pattern of the pile were investigated. As a result, the horizontal pullout resistance of the pile embedded in sands was dependent on the pile length, diameter, loading point, etc. The ultimate horizontal pullout load tended to increase as the loading point (h/L) moved to the bottom from the top of the pile, regardless of the ratio between the pile length and diameter (L/D), reached the maximum value at the point of h/L = 0.75, and decreased afterwards. When the horizontal pullout load acted on the upper part above the middle of the pile, the pile rotated clockwise and moved to the pullout direction, and the pivot point of the pile was located at 150-360mm depth below the ground surface. On the other hand, when the horizontal pullout load acted on the lower part of the pile, the pile rotated counterclockwise and travelled horizontally, and the rotational angle was very small.
This paper presents the results of static vertical load tests carried out on a model building frame supported by pile groups embedded in cohesionless soil (sand). The effect of soil interaction on displacements and rotation at the column base and also the shears and bending moments in the columns of the building frame were investigated. The experimental results have been compared with those obtained from the finite element analysis and conventional method of analysis. Soil nonlinearity in the lateral direction is characterized by the p-y curves and in the axial direction by nonlinear vertical springs along the length of the piles (${\tau}-z$ curves) at their tips (Q-z curves). The results reveal that the conventional method gives the shear force in the column by about 40-60%, the bending moment at the column top about 20-30% and at the column base about 75-100% more than those from the experimental results. The response of the frame from the experimental results is in good agreement with that obtained by the nonlinear finite element analysis.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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