Centrifuge model tests were used to simulate pile-raft composite foundation and pile-geogrid composite foundation with different pile spacing for researching the time effect of negative skin friction of rigid piles in high-speed railways. The research results show that the negative skin friction has a significant impact on the bearing capacity of composite foundation. Pile-raft composite foundation has higher bearing capacity compared to pile-geogrid composite foundation to reduce the effect of negative skin friction on piles. Both the foundation settlement and negative skin friction have significant time effect. The distribution of skin friction can be simplified as a triangle along the pile. The neutral point position moves deeper in the postconstruction stage at larger pile spacing. For pile-geogrid composite foundation, the setting of pile-cap affects the position of neutral point in the post-construction stage. Reinforced cushion with geotextile may promote the better performance of cushion for transmitting the loads to piles and surrounding soils. Arching effect in the cushion of the composite foundation is a progressive process. The compression of the rigid piles contributes less than 20% to 25% of the total settlement while the penetration of the piles and the compression of the bearing stratum below the pile tips contribute more than 70% of the total settlement. Some effective measures to reduce the settlement of soils need to be taken into consideration to improve the bearing capacity of pile foundation.
Downdrag force develops when a pile is driven through a soil layer which will settle more than a pile. There is no obvious criterion for application of the current pile design method considering the negative skin friction. Therefore, in this study, numerical analyses were performed to investigate the behavior of a single pile subjected to negative skin friction and their results were used to determine the applicability of the current design method. Including three different sites in Song-do area and two different cases with friction pile and end bearing pile conditions, total six cases were considered. The load-settlement relationships and the neutral points were estimated for different end bearing conditions and the allowable bearing capacity of piles with negative skin friction was investigated through parametric studies. Based on the results showed that the negative skin friction made a major influence on the settlement of a pile and its stress. However the allowable bearing capacity may not be influenced by the negative skin friction. Compared with the allowable bearing capacity obtained from the ultimate bearing capacity with the safety factor of 3, the current design method with the safety factor of 3 underestimated the allowable bearing capacities regardless of the end bearing conditions. On the other hand, the current design method with the safety factor of 2 yielded reasonable results depending on the end bearing conditions.
Recently, construction activities in reclaimed onshore areas increase in our country In this case, the stability evaluation of the piles for negative skin friction is an important factor for the design of pile foundation in soft grounds. Nevertheless, the design of piles for negative skin friction (or downdrag forces) is probably poorly understood by many geotechnical engineers. It is mainly because only the bearing capacity aspect is taken into account for the downdrag evaluation of piles in most of design specifications. However, the problems fur negative skin friction of piles are mostly related with settlement rather than bearing capacity Meanwhile, LRFD (Load Resistance Factor Design) approach considers both ultimate limit state in terms of bearing capacity and serviceability limit state in terms of settlements. This paper proposes LRFD approach for the downdrag evaluation of piles and compares this approach to traditional design approach. And also a case history is analyzed. Through the analysis some suggestions to solve the problems for the design of piles for negative skin friction are suggested.
Jeon, Sang Joon;Jeon, Young Jin;Jeon, Seung Chan;Lee, Cheol Ju
Journal of the Korean GEO-environmental Society
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v.21
no.8
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pp.15-27
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2020
In the current paper, a series of advanced 3D finite element analyses have been performed on existing pieces of work of negative skin friction from a geotechnical centrifuge test and full-scale field measurements. From these analyses, key features of pile behaviour under the influence of negative skin friction which, previously, were not fully understood in existing studies, have been meticulously discussed. As such, it has been possible to successfully address several numerical modelling issues such as negative skin friction induced pile settlements and group effects (the shielding effect), the effect of sacrificial piles in groups and the interaction between the pile head and the cap, the effect of interface elements at the pile-soil interface and the time-dependent pile behaviour. During a geotechnical centrifuge test, substantial amounts of negative skin frictions were mobilised when centrifugal acceleration increased from 1g to a certain g-level due to an increase in the self-weight of soil. The behaviour of piles inside a group were heavily affected by the sacrificial piles and the connectivity between the pile head and the pile cap. In particular, as negative skin friction has time dependent qualities associated with consolidation, it was logical to perform coupled analyses when analysing piles in consolidating grounds. From the current work, several insufficiencies of previous researches have been addressed, and the engineering pile behaviour subjected to negative skin friction has been clarified.
In this study, we experimentally investigate the possibility of skin-friction drag reduction by series of transverse cavities in a turbulent boundary layer flow. The effects of cavity depth (d), cavity length (l) and cavity spacing (s) on the skin friction drag are examined in the range of $Re_{\theta}\;=\;4030\;{\sim}\;7360$, $d/{\theta}_0\;=\;0.13\;{\sim}1.03$, l/d = 1 ~ 4 and s/d = 5 ~ 20. We perform experiments for twenty different cavity geometries and directly measure total drag force using in-house force measurement system. In most cases, the skin friction drag is increased. At several cases, however, small drag reduction is obtained. The variation of the skin ftiction drag is more sensitive to the cavity length than to the cavity depth or cavity spacing, and drag is reduced at $s/l\;{\geq}\;10$ and $l/{\theta}_0\;{\leq}\;0.26$ irrespective of the cavity depth. At $l/\bar{\theta}_0\;=\;0.13$ and s/l = 10, maximum 2% drag reduction is achieved. When the skin friction drag is reduced, there is little interaction between the flows inside and outside cavity, and the flow changed by the cavity is rapidly recovered at the following crest. A stable vortex is formed inside a cavity in the case of drag reduction. This vortex generates negative skin friction drag at the cavity bottom wall. Although there is form drag due to the cavity itself, total drag is reduced due to the negative skin friction drag.
A fundamental study of the pile-soil systems subjected to negative skin friction in soft soil was conducted using the long-term field measurements. The emphasis was on the identification of the magnitude and distribution of skin frictions ($\alpha$ and $\beta$ coefficients) in bitumen coated and uncoated piles. A skin friction coefficient of instrumented piles is back-calculated by varying degrees of consolidation (U) of surrounding soils. It is shown that the bitumen coated pile is capable of reducing the negative skin friction up to almost 50 to 90 percents. Through comparisons with the existing friction coefficient values ($\alpha$ and $\beta$ coefficients), the calculated coefficients are within the appropriate range, and thus we can suggest basic materials to estimate the realistic pile behavior in the short-term and long-term analysis.
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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2006.03a
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pp.1269-1278
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2006
These days the construction of extra-long piles increases. It is not unusual to install piles whose length exceed 45m. In such cases, the estimated value of negative skin friction becomes larger, often larger than the design load. In order to be sure of the safety of the super structure, the magnitude of the positive skin friction and the base bearing capacity should be known. In practice dynamic pile loading tests using PDA is the only possible measure to meet this requirement. However the analysis of dynamic pile loading test for such extra-long piles requires a thorough understanding of the pile-soil behaviour. In this paper, a new method to evaluate the positive skin friction and end bearing capacity from the normally performed PDA test is proposed. The proposed method was verified by performing specially designed pilot testings.
The possibility of skin friction reduction in laminar channel flow is investigated when the flow is subjected to stationary distributed surface blowing and suction. Blowing and suction provided at the channel walls is steady in time but varies as a sine function along the streamwise direction. The skin friction changes depending on the wavelength and amplitude of the actuation. Especially, the skin friction is reduced below that of fully developed laminar flow as the wavelength decreases and amplitude increases. The optimal wavelength of producing minimum skin friction is $\pi/2{\delta}$, where $\delta$ is the channel half-height It is observed that the distributed blowing and suction induces strong negative Reynolds shear stress in the near-wall region at the end of the suction part.
Kim, Sung-Hee;Jeon, Young-Jin;Kim, Jeong-Sub;Lee, Cheol-Ju
Journal of the Korean GEO-environmental Society
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v.18
no.5
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pp.5-16
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2017
In the present work, a number of advanced three-dimensional (3D) parametric finite element numerical analyses have been conducted to study the behaviour of a single pile in consolidating ground from coupled consolidation analyses. A single pile with typical minimum and maximum ranges of fill height and clay stiffness has been modelled. The computed results demonstrate that the higher the height of the fill above the clay surface and the smaller the stiffness of the clay, the higher the dragloads and the negative skin friction-induced pile settlements. It has been found that the development of dragloads and pile settlement is more governed by the stiffness of the clay rather than the height of the fill. Positive shaft resistance is mobilised only after the average degree of consolidation is larger than 50%. Although the pile is installed when the degree of consolidation is 50% or more, relatively large negative skin friction can nevertheless develop on the pile. On the other hand, when a load is applied on the pile experiencing an increase in the negative skin friction with time during consolidation, the pile undergoes a large increase in the final settlement of up to 95% compared to that of a pile without axial load on the pile head. The allowable pile capacity when there is negative skin friction on the pile is reduced by about 4-11% compared to a pile without negative skin friction.
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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2010.03a
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pp.1104-1113
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2010
In order to reduce negative skin friction uses bitumen most plentifully. But, Bitumen is expensive very of 1.5 or more times of pile material expense. The bitumen will be able to substitute it is nescessary. It was researched that it would be able to bitumen substitutions from in products which is produced from domestic in this study. This was composed with most bentonite, added some cement. When it is used this product in the model test, the reduction ratio appear of 85% or more. In this result, this product as the reduction material is confirmed that has enough ability. Additional research leads, the product according to pile construction method must verify the reduction effect of negativ skin friction in field test.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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