Tunnel construction activity, conducted mainly in mountains and within urban centres, causes soil settlement, thus requiring the relevant management of slopes and structures as well as evaluations of risk and stability. Accordingly, in this study we performed a three-dimensional finite element analysis to examine the behaviour of piles and pile cap stability when a tunnel passes near the bottom of the foundation of a pile group connected by a pile cap. We examined the results via numerical analysis considering different conditions for reinforcement of the ground between the tunnel and the pile foundation. The numerical analysis assessed the angular distortion of the pile cap, pile settlement, axial force, shear stress, relative displacement, and volume loss due to tunnel excavation, and pile cap stability was evaluated based on Son and Cording's evaluation criterion for damage to adjacent structures. The pile located closest to the tunnel under the condition of no ground reinforcement exhibited pile head settlement approximately 70% greater than that of the pile located farthest from the tunnel under the condition of greatest ground reinforcement. Additionally, pile head settlement was greatest when the largest volume loss occurred, being approximately 18% greater than pile head settlement under the condition having the smallest volume loss. This paper closely examines the main factors influencing the behaviour of a pile group connected by a pile cap for three ground reinforcement conditions and presents an evaluation of pile cap stability.
Young-Jin Jeon;Seung-Kueon Seo;Young-Nam Choi;Ho-Yeol Son;Byung-Soo Park;Jae-Hyun Kim;Cheol-Ju Lee
Geomechanics and Engineering
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v.39
no.2
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pp.181-195
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2024
Existing piles, especially in urban areas, are at risk of being cut by new tunnel construction, potentially affecting their serviceability. This study examined the behaviour of piles under various reinforcement conditions subject to tip cutting resulting from tunnel excavation. For this, the construction of a tunnel using a shield tunnel boring machine adjacent to existing single and group piles was simulated. A three-dimensional finite element analysis was used to perform the simulations. Certain piles in the group were simulated by cutting the pile tips to mimic the effect of tunnel excavation, and the behaviour of the piles was studied by considering the effect of pile cap and ground reinforcements. A numerical analysis was used to examine the ground settlement caused by tunnel excavation, pile head settlement, axial pile force, and shear stress occurring at the pile-ground interface. The results revealed that for all piles with pile tips supported by weathered rock, the shear stress distributions demonstrated similar trends, whereas for piles with cut tips, tensile or compressive forces occurred simultaneously according to the relative position by pile depth. Additionally, when the pile tip was supported by weathered rock, approximately 70% of the support was due to shaft friction and the remaining 30% was provided by the pile tip. For piles without reinforcement, the final settlement was approximately 70% greater than that of piles with grouting reinforcement. These results indicate that pile and ground settlements are substantially influenced by pile tip cutting and reinforcement conditions.
In the current work, a series of three-dimensional finite element analyses have been conducted to investigate the behaviour of pre-existing single piles in response to adjacent tunnelling by considering the tunnel face pressures and the relative locations of the pile tips with respect to the tunnel. Via numerical modelling, the effect of the face pressures on the pile behaviour has been analysed. In addition, the analyses have concentrated on the ground settlements, the pile head settlements and the shear stress transfer mechanism at the pile-soil interface. The settlements of the pile directly above the tunnel crown (with a vertical distance between the pile tip and the tunnel crown of 0.25D, where D is the tunnel diameter) with a face pressure of 50% of the in situ horizontal soil stress at the tunnel springline decreased by approximately 38% compared to the corresponding pile settlements with the minimum face pressure, namely, 25% of the in situ horizontal soil stress at the tunnel springline. Furthermore, the smaller the face pressure is, the larger the tunnelling-induced ground movements, the axial pile forces and the interface shear stresses. The ground settlements and the pile settlements were heavily affected by the face pressures and the positions of the pile tip with respect to the tunnel. When the piles were inside the tunnel influence zone, tensile forces were induced on piles, while compressive pile forces were expected to develop for piles that are outside the influence zone and on the boundary. In addition, the computed results have been compared with relevant previous studies that were reported in the literature. The behaviour of the piles that is triggered by adjacent tunnelling has been extensively examined and analysed by considering the several key features in substantial detail.
The skin friction of a pile foundation is important and essential for its design and analysis. More attention has been given to the softening behaviour of skin friction of a pile. In this study, to investigate the load-transfer mechanism in such a case, an analytical solution using a nonlinear softening model was derived. Subsequently, a load test on the pile was performed to verify the newly developed analytical solution. The comparison between the analytical solution and test results showed a good agreement in terms of the axial force of the pile and the stress-strain relationship of the pile-soil interface. The softening behaviour of the skin friction can be simulated well when the pile is subjected to large loads; however, such behaviour is generally ignored by most existing analytical solutions. Finally, the effects of the initial shear modulus and the ratio of the residual skin friction to peak skin friction on the load-settlement curve of a pile were investigated by a parametric analysis.
A series of three-dimensional (3D) parametric finite element analyses have been performed to study the influence of the relative locations of pile tips with regards to the tunnel position on the behaviour of single piles and pile groups to adjacent tunnelling in weathered soil. When the pile tips are inside the influence zone, which considers the relative pile tip location with respect to the tunnel position, tunnelling-induced pile head settlements are larger than those computed from the Greenfield condition. However, when the pile tips are outside the influence zone, a reverse trend is obtained. When the pile tips are inside the influence zone, the tunnelling-induced tensile pile forces mobilised, but when the pile tips are outside the influence zone, compressive pile forces are induced because of tunnelling, depending on the shear stress transfer mechanism at the pile-soil interface. For piles connected to a cap, tensile and compressive forces are mobilised at the top of the centre and side piles, respectively. It has been shown that the increases in the tunnelling-induced pile head settlements have resulted in reductions of the apparent factor of safety up to approximately 43% when the pile tips are inside the influence zone, therefore severely affecting the serviceability of the piles. The pile behaviour, when considering the location of the pile tips with regards to the tunnel, has been analysed in great detail by taking the tunnelling-induced pile head settlements, axial pile forces, apparent factor of safety of the piles and shear transfer mechanism into account.
Three-dimensional (3D) numerical analyses have been conducted to study the behaviour of a single pile to tunnelling. The numerical analysis has included soil slip at the pile-soil interface. In the numerical analyses the interaction between the tunnel and the pile constructed in weathered soil and rock has been analysed. The study includes the pile settlement, the relative shear displacement between the pile and the soil and the shear stresses at the interface and the axial force on the pile. In particular, the shear stress transfer mechanism at the pile-soil interface related to the tunnel advancement has been rigorously analysed. Due to changes in the relative shear displacement at the pile-soil interface during the tunnel advancement, the shear stress and the axial force distributions along the pile have been changed. Upward shear stress developed at most part of the pile (Z/L=0.0-0.8), while downward shear stress is mobilised near the pile tip (Z/L=0.8-1.0) resulting in tensile force on the pile, where Z is the pile location and L is the pile length. Some insights into the pile behaviour to tunnelling obtained from the numerical analyses will be reported and discussed.
A series of model tests and analyses by load transfer function were performed to study load-settlement behaviour with relative compaction ratio of soil and embeded depth of pile. In the model tests, embeded depth ratio(L/D) of pile were installed 15, 20, 25 and relative compaction of soil(RC) is 85%, 95% and then cement were injected at around perimeter of pile. For analysis of embedded pile, the paper were compared results of model tests with analysis results by Vijayvergiya model and Castelli model, Gwizdala model of elastic plasticity-perfect plastic model and then the fitness load transfer mechanism was proposed to predict load-settlement behaviour of embeded pile. The analysis results of predicted bearing capacity by load transfer function, ultimate bearing capacity of embeded pile were approached to measured value and behaviour of initial load-settlement curve were estimated that load transfer function by Castelli were similar to measured value. The result of axial load analysis of bored pile shows that skin friction estimated by load transfer mechanism is investigated more a little than that of measured values.
Kumar, Madisetti Pavan;Raju, P. Markandeya;Jasmine, G. Vincent;Aditya, Mantini
Computers and Concrete
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v.25
no.6
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pp.525-535
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2020
The use of pile foundations has become more popular in recent years, as the combined action of the pile cap and the piles can increase the bearing capacity, reduce settlement, and the piles can be arranged so as to reduce differential deflection in the pile cap. Piles are relatively long, slender members that transmit foundation loads through soil strata of low bearing capacity to deeper soil or rock strata having a high bearing capacity. In this study analysis of pile cap with considering different parameters like depth of the pile cap, width and breadth of the pile cap, type of piles and different types of soil which affect the behaviour of pile cap foundation is carried out by using Finite Element Software ANSYS. For understanding the settlement behaviour of pile cap foundation, parametric studies have been carried out in four types of clay by varying pile cap dimensions with two types of piles namely normal and under-reamed piles for different group of piles. Furthermore, the analysis results of settlement and stress values for the pile cap with normal and under-reamed piles are compared. From the study it can be concluded that settlement values of pile cap with under-reamed pile are less than the settlements of pile cap with normal pile. It means that the ultimate load bearing capacity of pile cap with under-reamed piles are greater than the pile cap with normal piles.
Numerical analysis method for prediction of pile behaviour characteristics has widely been used in detail design process before construction because field static loading test requires high cost. However, the reliability verification of numerical analysis of result is not permitted compare with field test. In this study, to verify the numerical analysis results, pile behaviour prediction was compared with field static loading test results. For exact analysis of interaction between pile and ground, soil investigation and in-situ test such as boring, SPT and bore-hole shear test were performed before pile static loading test. During the static loading test, pile behaviour characteristics were analyzed under every loading condition. After static pile loading test, numerical analysis was carried out under same condition with static pile loading test. In the numerical analysis, to apply same loading condition with each loading condition in the field test and to compare with between the results of numerical analysis, the field test results for reliability were verified with the results of numerical analysis.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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