Cui, Chunyi;Zhang, Shiping;Chapman, David;Meng, Kun
Geomechanics and Engineering
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v.15
no.2
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pp.793-803
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2018
Based on the theory of porous media, an interaction system of a floating pile and a saturated soil in cylindrical coordinates subjected to vertical harmonic load is presented in this paper. The surrounding soil is separated into two distinct layers. The upper soil layer above the level of pile base is described as a saturated viscoelastic medium and the lower soil layer is idealized as equivalent spring-dashpot elements with complex stiffness. Considering the cylindrically symmetry and the pile-soil compatibility condition of the interaction system, a frequency-domain analytical solution for dynamic impedance of the floating pile embedded in saturated viscoelastic soil is also derived, and reduced to verify it with existing solutions. An extensive parametric analysis has been conducted to reveal the effects of the impedance of the lower soil base, the interaction coefficient and the damping coefficient of the saturated viscoelastic soil layer on the vertical vibration of the pile-soil interaction system. It is shown that the vertical dynamic impedance of the floating pile significantly depends on the real stiffness of the impedance of the lower soil base, but is less sensitive to its dynamic damping variation; the behavior of the pile in poro-visco-elastic soils is totally different with that in single-phase elastic soils due to the existence of pore liquid; the effect of the interaction coefficient of solid and liquid on the pile-soil system is limited.
Gheddar, Kamal;Sbartai, Badreddine;Messioud, Salah;Dias, Daniel
Structural Engineering and Mechanics
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v.83
no.3
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pp.377-386
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2022
This paper considers dynamic impedance functions and presents a detailed analysis of the soil plasticity influence on the pile-group foundation dynamic response. A three-dimensional finite element model is proposed, and a calculation method considering the time domain is detailed for the nonlinear dynamic impedance functions. The soil mass is modeled as continuum elastoplastic solid using the Mohr-Coulomb shear failure criterion. The piles are modeled as continuum solids and the slab as a structural plate-type element. Quiet boundaries are implemented to avoid wave reflection on the boundaries. The model and method of analysis are validated by comparison with those published on literature. Numerical results are presented in terms of horizontal and vertical nonlinear dynamic impedances as a function of the shear soil parameters (cohesion and internal friction angle), pile spacing ratio and frequencies of the dynamic signal.
In the present case study, High Strain Dynamic Testing of piles is conducted at 3 different locations of Kolkata city of India. The raw field data acquired is analyzed using Pile Driving Analyzer (PDA) and CAPWAP (Case Pile Wave Analysis Programme) computer software and load settlement curves along with variation of force and velocity with time is obtained. A finite difference based numerical software FLAC3D has been used for simulating the field conditions by simulating similar soil-pile models for each case. The net pile displacement and ultimate pile capacity determined from the field tests and estimated by using numerical analyses are compared. It is seen that the ultimate capacity of the pile computed using FLAC3D differs from the field test results by around 9%, thereby indicating the efficiency of FLAC3D as reliable numerical software for analyzing pile foundations subjected to impact loading. Moreover, various parameters like top layers of cohesive soil varying from soft to stiff consistency, pile length, pile diameter, pile impedance and critical height of fall of the hammer have been found to influence both pile displacement and net pile capacity substantially. It may, therefore, be suggested to include the test in relevant IS code of practice.
An elasto-dynamic model for pile-soil-pile interaction together with a simple plate model is used in this study to assess the effect of flexible foundation slabs on the dynamic response of pile groups. To this end, different pile configurations with various slab thicknessesare considered in two soil media with low and high elastic moduli. The analyses include dynamic impedances and seismic responses of pile-group foundations. The presented results indicate that the stiffness and damping of pile foundations increase with thickness of the foundation slab; however, the results approach those for rigid slab as the slab thickness approaches twice the pile diameter for the cases considered in this study. The results also reveal that pile foundations with flexible slabs may amplify the earthquake motions by as much as 10 percent in the low to intermediate frequency ranges.
A study of the effects of dynamic pile-soil-structure interactions on the response of super- structures, supported by group piles, are presented in this paper. The dynamic impedance functions of single pile generated by soil-pile interactions are obtained and compared among others using the methods proposed by Novak, Gazetas, and Kuhlemeyer, and using the equivalent cantilever method. Group pile effects are also considered by the following approaches : neglecting interaction effects : group efficiency ratio concept : static interaction approach . and dynamic interaction approach. The responses of a nuclear containment structure are obtained by using the elastic half-space analysis, based on the impedance functions mentioned above. Main conclusions drawn from this study are as follows : 1. The numerical results of the impedance functions calculated by each method were quite different : the Novak's was the smallest, and the Kuhlemeyer's the highest. Considering group effects, similar values in each approach were obtained for the stiffness : the difference was very big for the damping. 2. The top displacement of the structure was reduced by 20% or more by pile installations. However, the base shear force, the base moment, and the resonance frequency were increased by more than two times due to stiffening effect of the ground by pile installations. 3. Whether frequency dependant impedence functions or frequency independant functions were used, the responses of the structure were not so much affected by the choice of the impedance functions. 4. The reduction effect of the top displacement increased with the increase of the maximum ground acceleration.
The final purpose of driveability analysis is to confirm whether a selected hammer drives a pile to a desired penetration depth and/or capacity without damage. The capacities from static analysis methods are meaningless if the pile cannot be driven to the required design depth and the ultimate capacity without damage. It often occurs that there are big differences between the capacities from measurements and calculations. It may be because the driveability is not evaluated due to the lack of engineers' understanding of the driveability of pile driving. The engineers in the field sometimes assume simply the penetration depth with standard penetration value only. In this study some test pilings with dynamic pile loading tests were performed to give an understanding about the driveability. The influence factors(driving resistance, impedance, material strength, hammer) on the driveability of steel piles were analysed with the monitoring data obtained from the dynamic load tests. It was shown that more cost-effective design can be made in case the driveability analysis and high strength steel pile are appropriately adopted in the design.
Cui, Chun Y.;Meng, Kun;Wu, Ya J.;Chapman, David;Liang, Zhi M.
Geomechanics and Engineering
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v.16
no.6
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pp.609-618
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2018
A new mechanical model for predicting the vibration of a pipe pile embedded in longitudinally layered visco-elastic media with radial inhomogeneity is proposed by extending Novak's plain-strain model and complex stiffness method to consider viscous-type damping. The analytical solutions for the dynamic impedance, the velocity admittance and the reflected signal of wave velocity at the pile head are also derived and subsequently verified by comparison with existing solutions. An extensive parametric analysis is further performed to examine the effects of shear modulus, viscous damping coefficient, coefficient of disturbance degree, weakening or strengthening range of surrounding soil and longitudinal soft or hard interbedded layer on the velocity admittance and the reflected signal of wave velocity at the pile head. It is demonstrated that the proposed model and the obtained solutions provide extensive possibilities for practical application compared with previous related studies.
Simplified analytical solutions are developed for the dynamic analyses of an axially loaded pile foundation embedded in a transverse-isotropic, fluid-filled, poro-visco-elastic soil with rigid substratum. The pile is modeled as a viscoelastic Rayleigh-Love rod, while the surrounding soil is regarded as a transversely isotropic, liquid-saturated, viscoelastic, porous medium of which the mechanical behavior is represented by the Boer's poroelastic media model and the fractional derivative model. Upon the separation of variables, the frequency-domain responses for the impedance function of the pile top, and the vertical displacement and the axial force along the pile shaft are gained. Then by virtue of the convolution theorem and the inverse Fourier transform, the time-domain velocity response of the pile head is derived. The presented solutions are validated, compared to the existing solution, the finite element model (FEM) results, and the field test data. Parametric analyses are made to show the effect of the soil anisotropy and the excitation frequency on the pile-soil dynamic responses.
Kumar, K. Varun;Saravanan, T. Jothi;Sreekala, R.;Gopalakrishnan, N.;Mini, K.M.
Geomechanics and Engineering
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v.12
no.1
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pp.161-183
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2017
This paper investigates the damage identification of the concrete pile element through axial wave propagation technique using computational and experimental studies. Now-a-days, concrete pile foundations are often common in all engineering structures and their safety is significant for preventing the failure. Damage detection and estimation in a sub-structure is challenging as the visual picture of the sub-structure and its condition is not well known and the state of the structure or foundation can be inferred only through its static and dynamic response. The concept of wave propagation involves dynamic impedance and whenever a wave encounters a changing impedance (due to loss of stiffness), a reflecting wave is generated with the total strain energy forked as reflected as well as refracted portions. Among many frequency domain methods, the Spectral Finite Element method (SFEM) has been found suitable for analysis of wave propagation in real engineering structures as the formulation is based on dynamic equilibrium under harmonic steady state excitation. The feasibility of the axial wave propagation technique is studied through numerical simulations using Elementary rod theory and higher order Love rod theory under SFEM and ABAQUS dynamic explicit analysis with experimental validation exercise. Towards simulating the damage scenario in a pile element, dis-continuity (impedance mismatch) is induced by varying its cross-sectional area along its length. Both experimental and computational investigations are performed under pulse-echo and pitch-catch configuration methods. Analytical and experimental results are in good agreement.
KIEE International Transactions on Electrophysics and Applications
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v.4C
no.5
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pp.207-214
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2004
This paper presents the characteristics of transient and effective impulse impedances for deeply driven grounding electrodes used in soil with high resistivity or in downtown areas. The laboratory test associated with the time domain performance of grounding piles subjected to a lightning stroke current has been carried out using an actual-sized model grounding system. The ground impedances of the deeply driven ground rods and grounding pile under impulse currents showed inductive characteristics, and the effective impulse ground impedance owing to the inductive component is higher than the power frequency ground impedance. Both power frequency ground impedance and effective impulse ground impedance decrease upon increasing the length of the model grounding electrodes. Furthermore, the effective impulse ground impedances of the deeply driven grounding electrodes are significantly amplified in impulse currents with a rapid rise time. The reduction of the power frequency ground impedance is decisive to improve the impulse impedance characteristics of grounding systems.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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