The dynamic behavior of a single pile was investigated by using analytical and numerical studies. The focus of this study was to develop the dynamic p-y curve of a pile for pseudo-static analysis considering the shear wave velocity of the soil by using three-dimensional numerical analyses. Numerical analyses were conducted for a single pile in dry sand under changing conditions such as the shear wave velocity of the soil and the acceleration amplitudes. The proposed dynamic p-y curve is a shape of hyperbolic function that was developed to take into account the influence of the shear wave velocity of soil. The applicability of pseudo-static analysis using the proposed dynamic p-y curve shows good agreement with the general trends observed by dynamic analysis. Therefore, the proposed dynamic p-y curve represents practical improvements for the seismic design of piles.
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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2009.09a
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pp.877-883
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2009
Shaking table tests are performed to evaluate the dynamic group pile effect in fine sand. Single pile tests and $2{\times}4$ group pile tests are performed on 3D pile spacing. Dynamic p-y backbone curves are obtained to evaluate dynamic group pile effect by using dynamic p-y curve of single pile. And dynamic group pile p-multiplier is estimated by dynamic p-y backbone curve. Dynamic p-multiplier can be calculated by using subground reaction ratio of dynamic p-y backbone curve which is the same displacement of p-y curve peak point As the result, dynamic group pile effects are evaluated in terms of a shaking frequency, a shaking acceleration, and a relative density. Dynamic group pile p-multiplier is the largest at lead pile, and the value decrease at middle pile and trail pile. p multiplier increases as increasing input acceleration and decreasing relative density. This results coincide with NCHRP's research which suggest p multiplier increases as increasing pile cap displacement.
In this study, dynamic centrifuge tests in dry sand were conducted in order to evaluate the effect of pile installation on the dynamic p-y curve. According to the result of the pile installation effect on the dynamic p-y backbone curves, the subgrade resistance of a jacked pile in 40 g was found to be greater than that of a jacked pile in 1 g and a preinstalled pile in 1 g. It was also found that differences of the subgrade resistance decrease with the depth of the pile. Applicability of dynamic p-y backbone curve for the bored pile proposed by preceded researcher was evaluated by comparing with the result of centrifuge tests. In addition, dynamic p-y backbone curve for jacking/driven pile was developed by modifying that for the bored pile.
In this study, a series of 1 g shaking table tests were carried out for a single pile in soft clay with various input acceleration amplitudes and frequencies. Based on the results, dynamic p-y curves were drawn and, in turn, the dynamic p-y backbone curve was formed by connecting the peak points, corresponding to the maximum soil resistance, of the dynamic p-y curves. In order to represent the p-y backbone curve numerically, Matlock's p-y formulations for clay was used to find the initial stiffness ($k_{ini}$) and the ultimate capacity ($p_u$) of the clay, both of which are required to formulate the p-y backbone curve as a hyperbolic function. The suggested p-y backbone curve was verified through comparisons with currently available p-y curves as well as other researchers' centrifuge test results and numerical analysis results.
In this study a series of centrifuge tests were carried out in dry sand to analyze the comparison of lateral pile behavior for static loading and dynamic loading condition. In case of static loading condition, the lateral displacement was applied up to 50% of pile diameter by deflection control method. And the input sine wave of 0.1 g~0.4 g amplitude and 1 Hz frequency was applied at the base of the soil box using shaking table for dynamic loading condition. From comparison of experimental static p-y curve obtained from static loading tests with API p-y curves, API p-y curves can predict well within 20% error the ultimate subgrade reaction force of static loading condition. The ultimate subgrade reaction force of experimental dynamic p-y curve is 5 times larger than that of API p-y curves and experimental static p-y curves. Therefore, pseudo-static analysis applied to existing p-y curve for seismic design could greatly underestimate the soil resistance at non-linear domain and cause overly conservative design.
Numerical analysis using 3D finite element program (PLAXIS 3D) evaluated the interaction of soil - pile structure under dynamic surface loading. The dynamic p-y curve of the 1-g shaking table experiment by numerical analysis was calculated, and the parametric studies were presented by considering the pile-soil condition, the pile tip condition, and the loading condition. The frequency of 1.4 Hz is almost equal to the natural frequency of the pile - soil system. The p and y values of resonance phenomenon are significantly different from the results of other frequencies. The results can be summarized by a third order polynomial function representing the trend line in the p-y curve. In the case of a single pile, the shape of the dominant curve was found to be an ellipse by mathematical proof. The elliptic equation can be used for the dynamic design or analysis of soil-pile system.
Dynamic interaction of the ground-foundation-structure must be considered for safety of earthquake resistant design for piles supported structures. The p-y curve, which is proposed in the static load and cyclic load cases, is used for the earthquake resistant design of piles. The p-y curve does not consider dynamic interaction of the ground-foundation-structure on dynamic load cases such as earthquake. Therefore, it is difficult to apply the p-y curve to earthquake resistant design. The dynamic p-y curve by considering dynamic interaction of the ground-foundation-structure has been studied, and researches had same conditions that pile caps were on the ground surface and superstructures were added on pile caps for the simple weight. However, group piles are normally embedded into the ground except for marine structures, so it seems that the embedding the pile cap influences on the dynamic p-y curve of group piles. In this study, the shaking table model test was conducted to confirm dynamic behavior of group piles by the embedded pile cap in the ground. The result showed that dynamic behavior was different between two cases by embedding the pile cap or not.
The dynamic behavior of the group piles supporting the superstructure in an earthquake is influenced by different complex dynamic mechanisms by the inertia force of the superstructure and the kinematic force of the ground. In an earthquake, The dynamic p-y curve is used to analyze the dynamic behavior of the pile foundation in consideration of the interaction of the ground, pile foundation, and superstructure due to the inertia force and the kinematic force. Most of the research has been conducted in order to confirm the dynamic p-y curve of the pile foundation by applying to the pile foundation installed on the single layered ground consisting of sand and clay, but the research for the multiple layered ground is insufficient. In this study, 1g shaking table tests were conducted to analyze the effect of the strata ratio of the top and bottom ground of the two layered sandy ground which has different relative densities on the dynamic behavior of group piles supporting the superstructure. The result shows that the maximum acceleration in the ground, the pile cap, and the superstructure increases as the strata ratio increases, and the location of the maximum bending moment of the pile foundation is changed. In addition, it was confirmed that the slope of the dynamic p-y curve of the pile foundation increased and decreased according to the strata ratio.
In this study, a series of 1 g shaking table model pile tests were carried out in saturated dense and loose sand to evaluate dynamic p-y curves for various conditions of flexural stiffness of a pile shaft, acceleration frequency and acceleration amplitude for input loads. Dynamic p-y backbone curve which can be applied to pseudo static analysis for saturated dense sand was proposed as a hyperbolic function by connecting the peak points of the experimental p-y curves, which corresponded to maximum soil resistances. In order to represent the backbone curve numerically, empirical equations were developed for the initial stiffness ($k_{ini}$) and the ultimate capacity ($p_u$) of soils as a function of a friction angle and a confining stress. The applicability of a p-y backbone curve was evaluated based on the centrifuge test results of other researchers cited in literature, and this suggested backbone curve was also compared with the currently available p-y curves. And also, the scaling factor ($S_F$) to account for the degradation of soil resistance according to the excess pore pressure was developed from the results of saturated loose sand.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.38
no.4
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pp.567-578
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2018
In this study, to investigate the effect of the stress reduction of group piles by dynamic loading, a dynamic p-y curve was established and the dynamic p-multiplier was calculated. Dynamic numerical analysis was performed by input sinusoidal waves to the bottom of the pile - ground system for $2{\times}2$ group pile, single pile and $5{\times}5$ group pile, single pile in dry sandy soil, and the pile spacing was changed to 2.5 and 5.0 times of the pile diameter. By establishing and comparing the dynamic p-y curves of the single pile and group piles, the dynamic group pile effect of the piles according to the pile center spacing and row position of the group pile piles is analyzed. $5{\times}5$ showed symmetry of the dynamic P-multiplier value around the pile origin coordinate. The dynamic p-multiplier value at the single pile, $5{\times}5$ pile (pile spacing: 2.5D) is 0.26 ~ 0.30 at the pile number 3, pile number 23, 0.14 pile number 13, and 0.14 ~ 0.38 at the pile number 5, pile number 18. These values differed from the static p-multiplier, especially due to the different loading conditions. The dynamic p-multiplier ($P_{dm}$) estimation through various types of input dynamic loads is expected to be used for dynamic design and analysis of group pile-ground systems of civil foundation structures.
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