Numerical investigation of laterally loaded piles in clayey soils

Abstract

The p-y curve method is a very common engineering practice for the calculation of the internal forces and deformations along laterally loaded piles under lateral loading (bending moments, shear forces, horizontal displacements, etc.). The pile is simulated as a “Beam on a Non-linear Winkler Foundation” (BNWF) while the p-y curves control the distributed load-horizontal displacement relationship of the non-linear springs. The soil springs are considered fixed on one end and connected with the pile-beam on the other. If one succeeds in calibrating accurately these springs regarding their strength and stiffness, the aforementioned calculations become reliable and representative of the actual lateral pile response. The major condition for the realistic simulation of the problem through the specific method is the significant density of the soil springs along the pile. The doctoral thesis indicates certain divergence between the existing p-y curves of the literature for soft, normally consolidated (NC) and stiff, overconsolidated (OC) clayey soils under undrained loading conditions. Subsequently, a sophisticated three-dimensional finite element model is designed in the code Simulia Abaqus (coupled analyses, pile-soil interface, advanced constitutive simulation of the soil), for the parametric investigation of the lateral pile response in the aforementioned soil types. In more detail, the parametric analyses output formulates numerical p-y curves for various soil, pile and interface properties, while the numerical model as well as the proposed curves are validated through comparisons with experimental results found in the literature. The original contribution of the thesis consists in: • The development of a sophisticated, three-dimensional numerical model for the performance of coupled effective stress and hydraulic flow analyses, aiming to simulate the lateral loading of a single pile in clayey soils. • The incorporation of a complex constitutive law for the soil simulation (small-strain stiffness, structure degradation) and realistic modelling of the pile-soil interface. • The highlighting of additional soil mechanics parameters affecting significantly the p-y curves, which are not taken into account by the existing methodologies (slope of the normal compression line λ and the unloading-reloading lines κ, Poisson’s ratio v and the ratio of the residual to the peak undrained shear strength RF). • Proposal of new p-y curves for soft, normally consolidated clayey soils, which are valid for a wide range of soil and pile parameters, taking into account the aforementioned effects. • Proposal of new p-y curves for stiff, overconsolidated clayey soils, which are valid for a wide range of soil and pile parameters, taking into account the aforementioned effects. • Investigation of the effect of cyclic loading on the post-cyclic response of the pile and the individual characteristics of the respective post-cyclic p-y curves.

Οι καμπύλες p-y αποτελούν μία πολύ συνήθη πρακτική για τον υπολογισμό εντατικών και παραμορφωσιακών μεγεθών κατά μήκος πασσάλων υπό εγκάρσια φόρτιση (καμπτικές ροπές, τέμνουσες δυνάμεις, οριζόντιες μετατοπίσεις, κλπ.). Ο πάσσαλος προσομοιώνεται ως «δοκός επί μηγραμμικού ελατηριωτού εδάφους Winkler» (BNWF) ενώ οι καμπύλες p-y περιγράφουν τη σχέση κατανεμημένου φορτίου-μετατόπισης των μη-γραμμικών ελατηρίων. Τα εδαφικά ελατήρια θεωρούνται πακτωμένα στο ένα τους άκρο, ενώ στο άλλο άκρο συνδέονται με τον πάσσαλο-δοκό. Αν κατορθώσουμε να βαθμονομήσουμε σωστά αυτά τα ελατήρια ως προς την παραμορφωσιμότητα και την αντοχή τους, οι ανωτέρω υπολογισμοί καθίστανται γρήγοροι και αντιπροσωπευτικοί της πραγματικής εγκάρσιας απόκρισης του πασσάλου. Κύρια προϋπόθεση για τη ρεαλιστική προσομοίωση του προβλήματος με τη μέθοδο αυτή είναι η πυκνή τοποθέτησή τους κατά μήκος του πασσάλου. Η διδακτορική διατριβή υποδεικνύει συγκεκριμένες ασυμφωνίες μεταξύ καμπυλών p-y της βιβλιογραφίας για μαλακά, κανονικά στερεοποιημένα (NC) και στιφρά, υπερστερεοποιημένα (OC) αργιλικά εδάφη υπό αστράγγιστες συνθήκες. Στη συνέχεια, διαμορφώνεται σοφιστευμένο τριδιάστατο προσομοίωμα πεπερασμένων στοιχείων στον κώδικα Simulia Abaqus (συζευγμένες αναλύσεις, διεπιφάνεια εδάφους-πασσάλου, σύνθετη καταστατική προσομοίωση εδάφους), για την παραμετρική διερεύνηση της εγκάρσιας απόκρισης πασσάλου στα παραπάνω εδάφη. Πιο συγκεκριμένα, από τα αποτελέσματα των παραμετρικών αναλύσεων εξάγονται αριθμητικές καμπύλες p-y για διάφορα χαρακτηριστικά εδάφους, πασσάλου και διεπιφάνειας, ενώ τόσο το προσομοίωμα όσο και οι προτεινόμενες καμπύλες τεκμηριώνονται μέσω σύγκρισης με πειραματικά δεδομένα της βιβλιογραφίας. Η πρωτότυπη συμβολή της εργασίας συνίσταται στην: • Ανάπτυξη σοφιστευμένου τριδιάστατου αριθμητικού προσομοιώματος για την εκτέλεση συζευγμένων αναλύσεων ενεργών τάσεων και υδατικής ροής με σκοπό την ανάλυση της εγκάρσιας φόρτισης πασσάλου σε αργιλικά εδάφη. • Ενσωμάτωση ενός σύνθετου καταστατικού νόμου για την απόκριση του αργιλικού εδάφους (δυσκαμψία μικρών παραμορφώσεων, τασική χαλάρωση) και ακριβής προσομοίωση της διεπιφάνειας εδάφους-πασσάλου. • Ανάδειξη πρόσθετων παραμέτρων εδαφομηχανικής που επιδρούν σημαντικά στις καμπύλες p-y και οι οποίες δε λαμβάνονται υπόψη από τις υφιστάμενες μεθοδολογίες (κλίσεις των γραμμών παρθενικής συμπίεσης λ και αποφόρτισης-επαναφόρτισης κ, λόγος Poisson ν και λόγος παραμένουσας προς μέγιστη αστράγγιστη διατμητική αντοχή RF). • Πρόταση νέων καμπυλών p-y για μαλακά, κανονικά στερεοποιημένα αργιλικά εδάφη, οι οποίες ισχύουν για μεγάλο εύρος παραμέτρων εδάφους και πασσάλου και λαμβάνουν υπόψη τις ανωτέρω επιδράσεις. • Πρόταση νέων καμπυλών p-y για μέτριας στιφρότητας ως στιφρά, υπερστερεοποιημένα αργιλικά εδάφη, οι οποίες ισχύουν για μεγάλο εύρος παραμέτρων εδάφους και πασσάλου και λαμβάνουν υπόψη τις ανωτέρω επιδράσεις. • Διερεύνηση της επίδρασης ανακυκλικής φόρτισης στη μετα-ανακυκλική απόκριση του πασσάλου και στα επιμέρους χαρακτηριστικά των αντίστοιχων μετα-ανακυκλικών καμπυλών p-y.