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.
In this study, experimental work has been carried out to investigate the effect of lateral soil movement on passive piles. This paper consists mainly of two parts: the first, performance of a series of laboratory experiments on a single pile and one-row pile groups, and the second, comparison between the measured and the predicted results. In the laboratory experiments, a quadrilateral soil movement profile was imposed on model piles embedded in both sandy soils and weathered soils. The maximum bending moment and pile deflection induced in passive piles were found to be highly dependent on pile stiffness, pile spacing, relative densities and pile head fixity condition. It was shown that the group effect might either increase or decrease the maximum bending moment and pile deflection, depending on the aforementioned influence factors. Based on the results obtained, a spacing-to-diameter ratio of 7.0 seems to be large enough to eliminate the group effect, and a pile in such a case behaves essentially the same as a single pile.
A simplified calculation method of natural vibration characteristics of high-speed railway multi-span bridge-longitudinal ballastless track system is proposed. The rail, track slab, base slab, main beam, bearing, pier, cap and pile foundation are taken into account, and the multi-span longitudinal ballastless track-beam-bearing-pier-cap-pile foundation integrated model (MBTIM) is established. The energy equation of each component of the MBTIM based on Timoshenko beam theory is constructed. Using the improved Fourier series, and the Rayleigh-Ritz method and Hamilton principle are combined to obtain the extremum of the total energy function. The simplified calculation formula of the natural vibration frequency of the MBTIM under the influence of vertical and longitudinal vibration is derived and verified by numerical methods. The influence law of the natural vibration frequency of the MBTIM is analyzed considering and not considering the participation of each component of the MBTIM, the damage of the track interlayer component and the stiffness change of each layer component. The results show that the error between the calculation results of the formula and the numerical method in this paper is less than 3%, which verifies the correctness of the method in this paper. The high-order frequency of the MBTIM is significantly affected considering the track, bridge pier, pile soil and pile cap, while considering the influence of pile cap on the low-order and high-order frequency of the MBTIM is large. The influence of component damage such as void beneath slab, mortar debonding and fastener failure on each order frequency of the MBTIM is basically the same, and the influence of component damage less than 10m on the first fourteen order frequency of the MBTIM is small. The bending stiffness of track slab and rail has no obvious influence on the natural frequency of the MBTIM, and the bending stiffness of main beam has influence on the natural frequency of the MBTIM. The bending stiffness of pier and base slab only has obvious influence on the high-order frequency of the MBTIM. The natural vibration characteristics of the MBTIM play an important guiding role in the safety analysis of high-speed train running, the damage detection of track-bridge structure and the seismic design of railway bridge.
Pile load tests using Osterberg cells (O-cell) were conducted on cast-in-place concrete piles founded in oil sand fill and in situ oil sand at an industrial plant site in Fort McMurray, Alberta, Canada. Interpreted pile test results show that very high pile shaft resistance (with the Bjerrum-Burland or Beta coefficient of 2.5-4.5) against oil sand could be mobilized at small relative displacements of 2-3% of shaft diameter. Finite element simulations based on linear elastic and elasto-plastic models for oil sand materials were used to analyze the pile load test measurements. Two constitutive models yield comparable top-down load versus pile head displacement curves, but very different behaviour in mobilization of pile shaft and end bearing resistances. The elasto-plastic model produces more consistent matching in both pile shaft and end bearing resistances whereas the linear elastic under- and over-predicts the shaft and end bearing resistances, respectively. The mobilization of high shaft resistance in oil sand under pile load is attributed to the very dense and interlocked structure of oil sand which results in high matrix stiffness, high friction angle, and high shear dilation.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.23
no.1
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pp.71-77
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2019
Recently, most of the pile foundations have been applied as a method to transfer the heavy load of the structure to the ground with high bearing capacity. In this study, the pile-cap behavior between foundation and hollow-head precast reinforced concrete(HPC) pile reinforced with longitudinal rebar and filling concrete was experimentally evaluated depending on the cyclic load and reinforcement ratio. As the drift ratio increases, it was found that the cracks pattern and fracture behavior of two types of pile-cap specimens according to the reinforcement ratio were evaluated to be similar. As the reinforcement ratio increases by 1.77 times, the BS-H25 specimen increases the maximum load by 1.47 times compared to the BS-H19 specimen. However, the ductility ratio of positive and negative was decreased by 76% and 70% respectively. After the yielding of the pile-cap reinforcing rebars, the positive and negative stiffness of the all specimens were decreased by a range from 66% to 71% and a range from 54% to 57% respectively, and the average stiffness of BS-H25 specimen is 13% higher than that of BS-H19 specimen. The cumulative dissipated energy capacity of BS-H19 and BS-H25 specimen under ultimate load state is 5.5 times and 6.6 times higher than that of service load state.
It is important to calculate the natural frequency of a piled structure in the design stage in order to prevent resonance-induced damage to the pile foundation and analyze the dynamic behavior of the piled structure during an earthquake. In this paper, a simple but relatively accurate method employing a mass-spring model is presented for the evaluation of the natural frequency of a pile-soil system. Greatly influencing the calculation of the natural frequency of a piled structure, the spring stiffness between a pile and soil was evaluated by using the coefficient of subgrade reaction, the p-y curve, and the subsoil elastic modulus. The resulting natural frequencies were compared with those of 1-g shaking table tests. The comparison showed that the natural frequency of the pile-soil system could be most accurately calculated by constructing a stiffness matrix with the spring stiffness of the Reese (1974) method, which utilizes the coefficient of the subgrade reaction modulus, and Yang's (2009) dynamic p-y backbone curve method. The calculated natural frequencies were within 5% error compared with those of the shaking table tests for the pile system in dry dense sand deposits and 5% to 40% error for the pile system in saturated sand deposits depending on the occurrence of excess pore water pressure in the soil.
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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2010.09a
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pp.357-367
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2010
In this study, several design and construction cases of the pile bent system for bridges were introduced. The lateral displacement of the pile bent system is larger than the displacement of pile cap system, due to the smaller bending stiffness and the longer unsupported length. So, the analysis of the lateral pile displacement is main factor for the design of pile bent system and superstructure. For the accurate estimation of the pile displacement, an iterative analysis method was developed. The superstructure was analyzed regarding the pile foundation as $6{\times}6$ spring and the substructure was analysed using non-linear load transfer curves (p-y, t-z, q-z curve). And, to verify this analysis method, the estimated displacements are compared with the results of lateral load test. This analysis method is expected to be a viable alternative approach for the design of bridge foundation hereafter.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.5
no.3
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pp.1-8
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2001
Seismic design forces for bridge components may be determined by modifying elastic member forces of design earthquakes using appropriate response modification factors according to the national design code of bridges Modeling technique of pile foundation system is one of the important parameters which greatly affects the results in the process of the elastic seismic analysis of a bridge system with pile foundation. In this paper, a approximate and simplified modeling technique of a pile foundation system for the practical purposes is presented. The modeling technique is based on the stiffnesses of pile foundation during earthquake. The horizontal stiffnesses are determined from the resistance-deflection curves derived from the results of dynamic field tests using cyclic loads and the vertical stiffness includes the effects of the end bearing capacities and side friction of piles as well as the pile compliances under the expected vertical load level. The applicability of the proposed technique has been validated through the some example bridge analyses.
Construction of sheet pile retaining walls in urban and coastal regions has resulted in sheet pile walls in close proximity to laterally loaded pile foundations. However, there is currently little information available in the literature to assist engineers for quantifying the response of sheet pile walls. This study provides a quantitative method for estimating sheet pile wall response due to loads imposed from a nearby laterally loaded pile. Three dimensional finite element analyses using commercial software, ABAQUS, were performed to assess the response of a sheet pile wall and nearby laterally loaded pile. The soils were modeled using Drucker-Prager constitutive model with associated flow rule, and the sheet pile wall and pile foundation were assumed to behave linear elastic. Four parameters were investigated: sheet pile wall bending stiffness, distance from the pile face to the wall, excavation depth in front of the sheet pile wall, and elastic modulus of the soil. Results from the analyses have been used to develop preliminary design charts and simple equations for estimating the maximum horizontal displacement and maximum bending moment in the sheet pile wall.
The pile group foundation is widely used for gravity pier of high-speed railway bridges in China. If a moderate or strong earthquake occurs, the pile-surrounding soil will exhibit obvious nonlinearity and significant pile group effect. In this study, an improved pushover analysis model for the pile group foundation with consideration of pile group effect is presented and validated by the quasi-static test. The improved model uses simplified springs to simulate the soil lateral resistance, side friction and tip resistance. PM (axial load-bending moment) plastic hinge model is introduced to simulate the impact of the axial force changing of pile group on their elastic-plastic characteristics. The pile group effect is considered in stress-stain relations of the lateral soil resistance with a reduction factor. The influence factors on nonlinear characteristics and plastic hinge distribution of the pile group foundation are discussed, including the pier height, longitudinal reinforcement ratio and stirrup ratio of the pile, and soil mechanical parameters. Furthermore, the displacement ductility factor, resistance increase factor and yielding stiffness ratio are provided to evaluate the seismic performance of soil-pile system. A case study for the pile group foundation of a railway simply supported beam bridge with a 32 m-span is conducted by numerical analysis. It is shown that the ultimate lateral force of pile group is not determined by the yielding force of the single one in these piles. Therefore, the pile group effect is essential for the seismic performance evaluation of the railway bridge with pile group foundation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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