One of the important causes of building and infrastructure failure, such as bridges on pile foundations, is the placement of the piles in liquefiable soil that can become unstable under seismic loads. Therefore, the overarching aim of this study is to investigate the seismic behavior of a soil-pile system in liquefiable soil using three-dimensional numerical FEM analysis, including soil-pile interaction. Effective parameters on concrete pile response, involving the pile diameter, pile length, soil type, and base acceleration, were considered in the framework of finite element non-linear dynamic analysis. The constitutive model of soil was considered as elasto-plastic kinematic-isotropic hardening. First, the finite element model was verified by comparing the variations on the pile response with the measured data from the centrifuge tests, and there was a strong agreement between the numerical and experimental results. Totally 64 non-linear time-history analyses were conducted, and the responses were investigated in terms of the lateral displacement of the pile, the effect of the base acceleration in the pile behavior, the bending moment distribution in the pile body, and the pore pressure. The numerical analysis results demonstrated that the relationship between the pile lateral displacement and the maximum base acceleration is non-linear. Furthermore, increasing the pile diameter results in an increase in the passive pressure of the soil. Also, piles with small and big diameters are subjected to yielding under bending and shear states, respectively. It is concluded that an effective stress-based ground response analysis should be conducted when there is a liquefaction condition in order to determine the maximum bending moment and shear force generated within the pile.
This paper proposes an approximate procedure to estimate seismic displacement capacity - defined as yield displacement times the displacement ductility - of piles in marine oil terminals. It is shown that the displacement ductility of piles is relatively insensitive to most of the pile parameters within ranges typically applicable to most piles in marine oil terminals. Based on parametric studies, lower bound values of the displacement ductility of two types of piles commonly used in marine oil terminals - reinforced-concrete and hollow-steel - with either pin connection or full-moment-connection to the deck for two seismic design levels - Level 1 or Level 2 - and for two locations of the hinging in the pile - near the deck or below the ground - are proposed. The lower bound values of the displacement ductility are determined such that the material strain limits specified in the Marine Oil Terminal Engineering and Maintenance Standard (MOTEMS) are satisfied at each design level. The simplified procedure presented in this paper is intended to be used for preliminary design of piles or as a check on the results from the detailed nonlinear static pushover analysis procedure, with material strain control, specified in the MOTEMS.
Proceedings of the Earthquake Engineering Society of Korea Conference
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2002.03a
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pp.117-124
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2002
The major purpose of this study is to determine the dynamic behavior of soil-pile-structure interaction system considering the underground cavity. For the analysis, a numerical method fur ground response analysis using FE-BE coupling method is developed. The total system is divided into two parts so called far field and near field. The far field is modeled by boundary element formulation using the multi-layered dynamic fundamental solution that satisfied radiational condition of wave. And this is coupled with near field modeled by finite elements. For the verification of dynamic analysis in the frequency domain, both forced vibration analysis and free-field response analysis are performed. The behavior of soil non-linearity is considered using the equivalent linear approximation method. As a result, it is shown that the developed method can be an efficient numerical method to solve the seismic response analysis considering the underground cavity in 2D problem.
Proceedings of the Earthquake Engineering Society of Korea Conference
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2002.03a
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pp.125-132
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2002
In this study, a numerical method is developed for nonlinear analysis for soil-pile-structure interaction system in time domain. Finite elements considering material nonlinearity are used for the near field and boundary elements for the far field. In the near field, frame elements are used for modeling a pile and plane-strain elements for surrounding soil and superstructure. In. the far field, boundary element formulation using the dynamic fundamental solution is adopted and coupled with the near field. Transformation of stiffness matrices of boundary elements into time domain is performed by inverse FFT. Stiffness matrices in the near field and far field are coupled. Newmark direct time integration method is applied. Developed soil-pile-structure interaction analysis method is verified with available literature and commercial code. Also, parametric studies by developed numerical method are performed. And seismic response analysis is performed using actual earthquake records.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.28
no.1C
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pp.31-40
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2008
This study presents the assessment of pseudostatic approach for obtaining the internal response of Single Column/Shaft subjected to earthquake loading. In numerical procedure, various lateral load transfer characteristics (p-y curve and Bi-linear curve) were used to model the nonlinear behavior of soil reactions including soil-pile interaction. The analysis using nonlinear soil model could estimate the seismic performance of soil-pile system, despite its relative simplicity. It was found that lateral behavior of single column/shaft obtained from the response displacement method was larger than those by seismic intensity method. To investigate the effects of soil-pile rigidity and pile head condition on the internal pile response, parametric studies were carried out for various soil models. The results from numerical analysis showed that lateral deflection was decreased with fixed condition of pile head and decreasing the soil-pile rigidity. The seismic analysis using Bi-linear model of JRA could reasonably predict the lateral behavior of Single Column/Shaft.
Dynamic analysis of lateral pile under seismic loading is performed in this paper. As an analytical model, the Bean-on-twinkler Foundation Model is used for this study because of its simplicity and acceptible accuracy . The method suggested by Kagawa and Kraft, which can account for non-linear effects, is used for the dynamic P-y relationship This relationship is found to be the most important factor in analysis . Group pile effects are also considered approximately The results of dynamic analysis show that a pile without supporting mass follows the soil movement ; in the case of a pile with supporting mass, the relative displacement between the soil and the pile occurs . When designing piles, it must be considered that piles have to resist the curvatures originated by the soil movement.
The interaction between the ground and structures should be considered for seismic design of group piles supporting the superstructure. The p-y curve has been used widely for the analysis of nonlinear relationship between the ground and structures, and various researches have conducted to apply the dynamic p-y curve for seismic design of group piles. This curve considers the interaction between the ground and structures under the dynamic load such as an earthquake. However the supported effect by the pile cap and the interaction by inertia behavior of superstructures. Therefore, the shaking table test was conducted to verify the effect of the change of the pile cap in group piles supporting superstructures embedded in sandy soil. The test condition is that the arrangement and distance between centers of piles are fixed and the length of the pile cap is changed for various distances between the pile cap side and the pile center. The result shows that the distance between the pile cap side and the pile center have an effect on the dynamic p-y curve and the effect of group piles.
Recently, several studies have been conducted on virtual fixed-point and elastic soil spring methods to simulate the soil-pile interaction in response to spectrum analysis of pile-supported structures. However, the soil spring stiffness has not been properly considered due to the seismic load magnitude, and studies on the response spectrum analysis of pile-supported structures considering this circumstance are inadequate. Therefore, in this study, the response spectrum analysis was performed considering the soil spring stiffness according to the seismic load magnitude, and the dynamic behavior of the pile-supported structure was evaluated by comparing it with existing virtual fixed-point and elastic soil spring methods. Comparing the experiment and analysis, the moment differences occurred up to 117% and 21% in the virtual fixed-point and elastic soil spring models, respectively. Moreover, when the analysis was performed using an API p-y curve considering the soil spring stiffness according to the seismic load magnitude, the moment difference between the experiment and analysis was derived at a maximum of < 4%, and it is the most accurate method to simulate the experimental model response.
Currently, the seismic design standards have been strengthened due to the occurrence of the Gyeongju and Pohang earthquake, and seismic performance evaluation of existing facilities is being conducted. It aims to secure a seismic performance effect during earthquakes by improving the micro-pile method, which can be constructed in limited confined places while minimizing damage to existing facilities. The improvement method is to construct all the piles in the square-tray-type plate on the top of the pile by constructing the slope pile in the form of an umbrella around the vertical pile, the main pillar. In this paper, the numerical analysis was performed to analyze the horizontal displacement behavior of an umbrella-type micropile for various real-measurement seismic waves in sandy soil. As a result of numerical analysis, the softer the ground, the better the effect of horizontal resistance of umbrella-type micropile. The horizontal displacement reduction effect was pronounced when the embedded depth was 15 m or more at the same ground strength, and it was found to be effective in earthquakes if it was settled on the ground with an N value of 30 or more. The embedded depth and horizontal displacement suppression effect of the micropile was proportional. Generally, the weaker the ground, the greater the displacement suppression effect. Umbrella-type micropile had a composite resistance effect in which the vertical pile resists the moment and inclined pile resists the axial force.
The problems associated with constructing high-speed concrete track embankments over soft compressible soil has lead to the development and/or extensive use of many of the ground improvement techniques used today. Drains, surcharge loading, and geosynthetic reinforcement, have all been used to solve the settlement and embankment stability issues associated with construction on soft soils. Geosynthetic-reinforced embankment supporting piles method consist of vertical columns that are designed to transfer the load of the embankment through the soft compressible soil layer to a firm foundation and one or more layers of geosynthetic reinforcement placed between the top of the columns and the bottom of the embankment. In the paper, the evaluations of a seismic performance of geosynthetic-reinforced embankment piles for a ultra soft ground during earthquake were studied. the equivalent linear analysis was performed by SHAKE for soft ground. A seismic performance analysis of Piles was performed by GROUP PILE and PLAXIS for geosynthetic-reinforced embankment piles. Guidelines is required for pile displacement during earthquake. Conclusions of the studies come up with a idea for soil stiffness, conditions of pile cap, pile length and span.
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