The interest in suction piles by the oil industry was risen in the middle of 1980's. Recently, suction piles have been applied increasingly in offshore engineering due to its low cost, simplicity, efficiency, and reliability. Suction piles have normally been used as anchors of floating structures and foundations of marine structures in deep-water locations. Suction piles have several technical advantages over conventional piles and anchors; fast and easy installation at any depth of water, extremely large resistance due to its huge size, and easy retrieval by applying a positive suction pressure inside the pile, etc. Daewoo E&C Co., Ltd. has conducted a series of field suction pile installation and loading tests inside the Okpo harbor located in Geojedo and the Onsan harbor in Ulsan, Korea, during the summer of 2001, which may provide additional validation of the analytical solutions previously developed by the US Naval Facilities Engineering Service Center. This is a brief description of the general mechanisms of suction pile installation and loading capacity based on the study conducted by the US Navy and Daewoo E&C Co., Ltd.
The embedded suction anchor(ESA) is and anchor that is driven by a suction pile. The cross-sectional shape of the ESA anchor is circle. Its diameter is the same as that of the suction pile that is used to drive it into the seafloor. For the installation, the anchor is attached to the tip of the suction pile and then driven as a unit with the pile by and applied suction pressure. Once the ESA anchor reaches the desired depth, the pile is retrieved by applying a positive pressure. Finally, only the ESA anchor remains in the soil layer. This paper presents the results of centrifuge model tests to investigate ESA pullout capacity. The main parameters that have effects on the pullout capacity of ESA may include g-level, embedded depth, direction of loading, and loading point. The results of tests show that the pullout loading capacities increase as the loading point shift toward the tip of the anchors for a given loading direction. They also indicate that the loading point associated with the maximum pullout loading capacity is located at approximately 67 percent of the anchor length from the top for the horizontal load.
모래지반에서 석션파일의 최대인발저항력 산정을 위한 일련의 원심모형실험이 수행되었다. 최대인발저항력 산정을 위한 실험인자인 석션파일의 인발각과 인발작용점의 위치에 대하여 실험을 수행하였다. 인발작용점의 경우 75%에서 최대인발저항력이 관찰되었다. 모든 경사각에 대하여 전체파일 높이에서 50%에서 75%사이에 석션파일의 회전각이 변함을 알 수 있었다. 인발각이 증가함에 따라 최대 인발저항력 발생 시까지의 변위가 점점 작아짐을 알 수 있었다. 석션파일의 형상중심의 수직변위를 최대인발저항력이 작용한 시점에서 관찰한 결과 모두 지표 쪽으로 이동한 것을 알 수 있었다.
본 논문에서는 석션파일의 하중지지력 및 압밀 거동에 대한 수치해석 내용을 다루었다. 수치해석에서는 파일-지반 간 인터페이스 거동이 고려된 3차원 모델을 적용하여 석션파일의 길이 대 직경 비, 하중 형태(수직하중, 수평 및 조합하중)를 변화시키며 해석을 수행하고 그 결과를 토대로 수직 및 수평지지력 거동 특성을 고찰하였다. 아울러 임의의 수직하중이 작용하는 조건에 대해 응력-간극수압 연계해석을 수행하여 석션파일의 하중재하 후 압밀거동을 고찰하였다. 해석 결과 석션파일의 지지력은 석션파일과 지반간의 상호작용 모델링 여부에 따라 큰 차이가 발생하는 것으로 검토되어 인터페이스 모델링의 중요성이 부각되었으며 산정된 하중지지력 결과를 토대로 제시된 조합하중에 대한 파괴포락선을 제시하였다. 아울러 응력-간극수압 연계해석에 근거한 압밀해석 결과를 분석한 결과 석션파일은 주면마찰이 주 하중지지 구조인 관계로 수직하중 재하시 과잉간극수압 발생량 및 압밀침하량은 미미한 것으로 검토되었다.
본 논문에서는 석션파일의 인발거동을 조사하기 위해 유한차분법 상용 프로그램인 FLAC3D를 이용하여 수치해석을 수행하였다. 석션파일의 인발지지력을 전통적인 지지력 식을 이용하여 구하고, 이 값을 파일의 직경, 길이, 그리고 주변 점토의 비배수 전단강도를 변수로 하는 수치해석을 통한 해석 값과 비교하였다. 총 24개의 수치해석 결과를 바탕으로 석션파일의 인발파괴는 석션파일의 배수조건뿐만 아니라 파일의 제원과 주변 지반의 물성값에 의해 형태가 결정되는 것으로 밝혀졌다. 수치해석 결과로부터 석션파일 내부 주면에 발현되는 전단응력을 구하여 활동파괴와 인장파괴 중 어떤 파괴가 발생할 것인지를 결정하는데 사용하였다. 외부주면의 전단응력과 관계없이 높은 내부 전단응력을 얻은 경우 수치해석 내에서 활동파괴가 발생하는 경우가 많았으며, 이는 전통적인 지지력 공식으로부터 얻은 예측과 잘 맞았다.
본 연구에서는 수치해석 방법을 통하여 점성토, 사질토, 그리고 점성토와 사질토의 혼합지반에 대하여 상부, 중간, 하부의 하중 작용위치에 따른 석션기초의 극한 수평저항력 및 거동을 분석하였다. 해석결과 지반조건에 관계없이 중간 위치에 재하시 가장 큰 수평저항력을 발휘하는 것으로 나타났으며, 사질토층의 극한저항력이 점성토층이나 점성토-사질토층에 비해 상대적으로 큰 값을 나타내었다. 그리고 석션기초의 이동량과 회전량 분석결과 석션기초의 이동량은 재하위치와 지반조건 모두에 대해 영향을 받지만, 회전량은 지반조건에 관계없이 재하위치에 가장 큰 영향을 받는 것으로 나타났다.
Kim, Dongwook;Lee, Juhyung;Nsabimana, Ernest;Jung, Young-Hoon
Ocean Systems Engineering
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제2권3호
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pp.205-215
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2012
Recently, interest of offshore structure construction in South Korea is growing as the land space becomes limited for further development and the renewable energy grows to be more attractive for the replacement of the fossil energy. In order for the optimal construction of optimum offshore floating structures, development of safe and economical offshore foundation technologies is a priority. In this study, the large-deformation behavior of a suction pile, which markets are rapidly growing nowadays, is analyzed for three different loading locations (top, middle, and bottom of the suction pile) with three different displacement inclinations (displacement controlled with displacement inclinations of 0, 10, and 20 degrees from the horizontal). The behavior analysis includes quantifications of maximum resistances, translations, and rotation angles of the suction pile. The suction pile with its diameter of 10 m and height of 25 m is assumed to be embedded in clay, sand, and multi layers of subsea foundation. The soil properties of the clay, sand, and multi layers were determined based on the results of the site investigations performed in the West sea of South Korea. As analyses results, the maximum resistance was observed at the middle of the suction pile with the displacement inclination of 20 degrees, while the translations and rotations resulting from the horizontal and inclined pullouts were not significant until the horizontal components of movements at the loading points reach 1.0 m.
In this thesis the model tests were performed to the horizontal pull-out characteristics of a suction pile subjected to a pull in sands. For this model tests, soil conditions ($D_r$=65), three pile diameters (D=100, 150, 200mm) and five loading points (h/L=0, 0.25, 0.5, 0.75, 1) were changed. And the experimental results were also compared with those by the theoretical methods. The results by the experimental and theoretical analysis are as follows. The ultimate horizontal pull-out resistance by the model test increased as the loading point (h/L) moved downwards from the pile top, and the maximum value reached at the h/L=0.75. The theoretical ultimate horizontal pull-out resistance by Broms(1964) and Hong(1984) agreed well with that by the model test at h/L=0 and 0.25, but their results overestimated the experimental result at lower part of pile and the differences between the theoretical and experimental results were of great. While the horizontal loading applied at the upper part of pile, the pile moved to the horizontal direction with rotating clockwise. As the loading point moved downwards from the pile top, the rotating angle of pile was smaller.
In this thesis the model tests were performed to the pull-out characteristics of a suction pile subjected to a pull-out in sands. For this model tests, three different soil conditions ($D_r$=45, 65, 82%), three pile diameters (D=100, 150, 200mm) and three pile lengths (L=100, 150, 200mm), were changed. And the experimental results were also compared with those by the theoretical methods. The results by the experimental and theoretical analysis are as follows. The ultimate pull-out resistances increased as the relative density of sands, pile diameter, length and the ratio of pile length to diameter increased. The ultimate pull-out resistance by Meyerhof method(1973) overestimated that by the model test, but the results using the soil-pile friction angle suggested by Aas(1966) in the Meyerhof(1973) method were in good agreement with the experimental results.
The suction method is the substructure installation using the water pressure difference generated by discharging water inside the pile by the pumping operation, after the intrusion by the self-weights of a large hollow steel pipe or a concrete structure. It is known as the low-noise and low-vibration method against the general pile driven method and eco-friendly, also. Most current design and safety assessment of the support structure and considering only the static load, however, the importance of dynamic behavior becomes magnified as the size of wind power generator increases. This study measures the natural frequency of the suction pile prototype about the penetration depth as a part of basic research and analyzed the interaction between the soil and the structure.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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