The purpose of this paper is to provide an experimental and analytical study on the reinforced large diameter pretensioned high strength concrete (R-LDPHC) pile. R-LDPHC pile was reinforced with infilled concrete, longitudinal, and transverse rebar to increase the flexural and shear strength of conventional large diameter PHC (LDPHC) pile without changing dimension of the pile. To evaluate the shear and flexural strength enhancement effects of R-LDPHC piles compared with conventional LDPHC pile, a two-point loading tests were conducted under simple supported conditions. Nonlinear analysis on the basis of the conventional layered sectional approach was also performed to evaluate effects of infilled concrete and longitudinal rebar on the flexural strength of conventional LDPHC pile. Moreover, ultimate strength design method was adopted to estimate the effect of transverse rebar and infilled concrete on the shear strength of a pile. The analytical results were compared with the results of the bending and shear test. Test results showed that the flexural strength and shear strength of R-LDPHC pile were increased by 2.3 times and 3.3 times compared to those of the conventional LDPHC pile, respectively. From the analytical study, it was found that the flexural strength and shear strength of R-LDPHC pile can be predicted by the analytical method by considering rebar and infilled concrete effects, and the average difference of flexural strength between experimental results and calculated result was 10.5% at the ultimate state.
Lemnitzer, Anne;Nunez, Eduardo;Massone, Leonardo M.
Earthquakes and Structures
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v.11
no.1
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pp.141-163
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2016
Fiber models have been developed and applied to various structural elements such as shear walls, beams and columns. Only scarcely have fiber models been applied to circular foundation systems such as cast in drilled holes shafts (CIDH). In pile foundations with constraint head boundary conditions, shear deformations can easily contribute to the lateral pile response. However, soil structure interaction formulations such as the p-y method, commonly used for lateral pile design, do not include structural shear deformations in its traditional derivation method. A fiber model that couples shear and axial-bending behavior, originally developed for wall elements was modified and validated on circular cross sections (columns) before being applied to a 0.61 m diameter reinforced concrete (RC) pile with fixed head boundary conditions. The analytical response was compared to measured test results of a fixed head test pile to investigate the possible impact of pile shear deformations on the displacement, shear, and moment profiles of the pile. Results showed that shear displacements and forces are not negligible and suggest that nonlinear shear deformations for RC piles should be considered for fixed-head or similar conditions. Appropriate sensor layout is recommended to capture shear deformation when deriving p-y curves from field measurements.
In order to improve the shear strength of conventional pre-tensioned spun high strength concrete (PHC) pile, concrete-infilled composite PHC (ICP) pile, a PHC pile reinforced by means of shear reinforcement and infilled concrete, is proposed. Two types of specimens were cast and tested according to KS (Korean Standards) to verify the shear strength enhancement of ICP pile. Based on the test results, it was found that the KS method was not suitable due to causing shear failure of ICP pile. However, shear strength enhancement was clearly verified. The obtained shear strength of the ICP pile was more than twice that of conventional PHC pile. In addition, the shear strength of ICP pile reinforced with longitudinal reinforcement was estimated to be more than 2.5 times greater than that of conventional PHC pile. The allowable shear force of ICP pile, which was determined by the allowable stress design process, indicated a large safety factor of more than 2.9 compared to the test results.
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 finite element analysis has been conducted to clarify the behaviour of a single pile in heaving ground related to ground excavation. The numerical analysis has included soil slip at the pile-soil interface, analysing the interaction between the pile and the clay has been studied. The study includes the upward movement of the pile, 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 a decrease in the vertical soil stress has been rigorously analysed. Due to the reductions in the vertical soil stress after excavation, the relative shear displacement and the shear stress 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 mobilized 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 in heaving ground analysed from the numerical analyses has been reported.
Soil-pile raft-structure interaction is recognized as a significant phenomenon which influences the seismic behaviour of structures. Soil structure interaction (SSI) has been extensively used to analyze the response of superstructure and piled raft through various modelling and analysis techniques. Major drawback of previous study is that overall interaction among entire soil-pile raft-superstructure system considering highlighting the change in design forces of various components in structure has not been explicitly addressed. A recent study addressed this issue in a broad sense, exhibiting the possibility of increase in pile shear due to SSI. However, in this context, relative stiffness of raft and that of pile with respect to soil and length of pile plays an important role in regulating this effect. In this paper, effect of relative stiffness of piled raft and soil along with other parameters is studied using a simplified model incorporating pile-soil raft and superstructure interaction in very soft, soft and moderately stiff soil. It is observed that pile head shear may significantly increase if the relative stiffness of raft and pile increases and furthermore stiffer pile group has a stronger effect. Outcome of this study may provide insight towards the rational seismic design of piles.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.32
no.5C
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pp.199-210
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2012
The effects of tunnelling in weak weathered rock on the behaviour of a pre-existing single pile and pile groups ($3{\times}3$ and $5{\times}5$ pile groups) above a tunnel have been studied by carrying out three-dimensional (3D) elasto-plastic numerical analyses. Numerical modelling of such effects considers the response of the single pile and pile groups in terms of tunnelling-induced ground and pile settlement as well as changes of the shear transfer mechanism at the pile-soil interface due to tunnelling. Due to changes in the relative shear displacement between the pile and the soil at the pile-soil interface with tunnel advancement, the shear stresses and axial pile force distributions along the pile change drastically. Based on the computed results, upward shear stresses are induced up to about Z/L=0.775 from the pile top, while downward shear stresses are mobilised below Z/L=0.775, resulting in a reduction in the axial pile force distribution with depth equivalent to a net increase in the tensile force on the pile. A maximum tensile force of about $0.36P_a$ developed on the single pile solely due to tunnelling, where $P_a$ is the service axial pile loading prior to tunnelling. The degree of interface shear strength mobilisation at the pile-soil interface was found to be a key factor governing pile-soil-tunnelling interaction. Overall it has been found that the larger the number of piles, the greater is the effect of tunnelling on the piles in terms of pile settlement, while changes of the axial pile forces for the piles in the groups are smaller than for a single pile due to the shielding effect. The reduction of apparent allowable pile capacity due to tunnelling-induced pile head settlement was significant, in particular for piles inside the groups.
Three-dimensional(3D) numerical analyses have been conducted to study the behaviour of a single pile to adjacent tunnelling conducted in the lateral direction of the pile. In the numerical analyses, the interaction between the tunnel, the pile and the soil next to the pile has been analysed. The study includes the pile settlement, the relative shear displacement between the pile and the soil, the shear stresses at the soil next to the pile and the axial force on the pile. In particular, the shear stress transfer mechanism along the pile related to the tunnel advancement has been rigorously analysed. Due to changes in the relative shear displacement between the pile and the soil next to the pile during the tunnel advancement, the shear stress and the axial force distributions along the pile have been changed. Downward shear stress developed above the tunnel springline (Z/L=0.0-0.7~0.8), while upward shear stress is mobilised below the tunnel springline (Z/L=0.7~0.8-1.0) resulting in compressive force on the pile, where Z is the pile location and L is the pile length. Maximum compressive force of about $0.475P_a$ was developed on the pile after completion of tunnel advancement, where $P_a$ is the allowable pile capacity. Some insights into the pile behaviour to tunnelling obtained from the numerical analyses will be reported and discussed.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.14
no.4
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pp.337-356
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2012
Three-dimensional (3D) numerical analyses have been performed to study the behaviour of single piles and grouped piles to adjacent tunnelling in the lateral direction of the pile. In the numerical analyses, the interaction between the tunnel, the pile and the soil next to the piles and shear transfer mechanism have been analysed allowing soil slip at the pile-soil interface by using interface elements. The study includes the shear stresses at the soil next to the pile, the axial force distributions on the pile and the pile settlement. It has been found that existing elastic solutions may not accurately estimate the pile behaviour since several key issues are excluded. Due to changes in the shear transfer between the pile and the soil next to the pile with tunnel advancement, the shear stresses and axial force distributions along the pile change drastically. Downward shear stress develops above the tunnel springline while upward shear stress is mobilised below the tunnel springline, resulting in a compressive force on the pile. In addition, mobilisation of shear strength at the pile-soil interface was found to be a key factor governing pile-soil-tunnelling interaction. It has been found that grouped piles are less influenced by the tunnelling than the single pile in terms of the axial pile forces. The reduction of apparent allowable pile capacity due to pile settlement resulted from the tunnelling seemed to be insignificant.
Bang, Jin-Wook;Hyun, Jung Hwan;Lee, Bang Yeon;Kim, Yun Yong
Structural Engineering and Mechanics
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v.50
no.6
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pp.741-754
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2014
The conventional PHC pile-footing connection is the weak part because the surface area and stiffness are sharply changed. The Composite PHC pile reinforced with the transverse shear reinforcing bars and infilled-concrete, hereafter ICP pile, has been developed for improving the flexural and shear performance. This paper investigates the cyclic behavior and performance of the ICP pile-footing connection. To investigate the behavior of the connection, one PHC and two ICP specimens were manufactured and then a series of cyclic loading tests were performed. From the test results, it was found that the ICP pile-footing connection exhibited higher cyclic behavior and connection performance compared to the conventional PHC pile-footing connection in terms of ductility ratio, stiffness degradation and energy dissipation capacity.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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