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.
In the congested urban areas, tunnelling close to existing structures or services often occurs due to the lack of surface space so that tunnelling-induced ground movements may cause a serious damage to the adjacent structures. This study focused on the two dimensional laboratory model pile-soil-tunnelling interaction tests using a close range photogrammetric technique. Testing equipments and procedures were Introduced, particularly features of aluminium rods regarded as the frictional granular material. The experimental result showed that the photo imaging process by the VMS and EngVis programs proved to be a useful tool in measuring the pile tip movements during the tunnelling. Consequently, the normalised pile tip movement data for the influence zones can be generated by the laboratory model tests using the Photogrammetric technique. This study presents influence zones associated with the normalized pile tip settlements due to tunnelling in the cohesionless material. The influence zones were Identified by both a laboratory model test and a numerical analysis. The normalized pile tip movements from the model test were in good agreement with the numerical analysis result. The influence zones proposed in this study could be used to decide the reasonable location of tunnel construction in the planning stage. However, the scale of model pile and model tunnel sizes must be carefully adjusted as real ones for practical application considering the ground conditions at a given site.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.22
no.1
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pp.23-46
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2020
In the current work, a series of three-dimensional finite element analyses have been carried out to understand the behaviour of pre-existing single piles to adjacent tunnelling by considering the tunnel face pressures and the relative location of pile tips with respect to the tunnel. The numerical modelling has analysed the effect of the face pressures on the pile behaviour. The analyses concentrate on the ground settlements, the pile head settlements, the axial pile forces and the shear stress transfer mechanism at the pile-soil interface. The head settlements of the pile (the vertical distance between the pile and the tunnel: 0.25D, where D is the tunnel diameter) directly above the tunnel crown with the face pressure 50% of the in-situ horizontal soil stress at the tunnel springline decreased by about 38% compared to corresponding settlements with a face pressure 25% of the in-situ horizontal soil stress at the tunnel springline. Furthermore, it was found that the smaller the face pressure, the larger the tunnelling-induced ground movements and the axial pile forces were and the higher the degree of the shear strength mobilisation at the pile-soil interface. When the piles were outside the tunnel influence zone, compressive pile forces were developed due to tunnelling. It has been found that the ground settlements and the pile settlements are heavily affected by the face pressures and the position of the pile tip relative to the tunnel. In addition, the computed results have been compared with relevant studies previously reported in literature. The behaviour of the piles has been extensively examined and analysed by considering the key features in great detail.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.32
no.5C
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pp.199-210
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2012
The effects of tunnelling in weak weathered rock on the behaviour of a pre-existing single pile and pile groups ($3{\times}3$ and $5{\times}5$ pile groups) above a tunnel have been studied by carrying out three-dimensional (3D) elasto-plastic numerical analyses. Numerical modelling of such effects considers the response of the single pile and pile groups in terms of tunnelling-induced ground and pile settlement as well as changes of the shear transfer mechanism at the pile-soil interface due to tunnelling. Due to changes in the relative shear displacement between the pile and the soil at the pile-soil interface with tunnel advancement, the shear stresses and axial pile force distributions along the pile change drastically. Based on the computed results, upward shear stresses are induced up to about Z/L=0.775 from the pile top, while downward shear stresses are mobilised below Z/L=0.775, resulting in a reduction in the axial pile force distribution with depth equivalent to a net increase in the tensile force on the pile. A maximum tensile force of about $0.36P_a$ developed on the single pile solely due to tunnelling, where $P_a$ is the service axial pile loading prior to tunnelling. The degree of interface shear strength mobilisation at the pile-soil interface was found to be a key factor governing pile-soil-tunnelling interaction. Overall it has been found that the larger the number of piles, the greater is the effect of tunnelling on the piles in terms of pile settlement, while changes of the axial pile forces for the piles in the groups are smaller than for a single pile due to the shielding effect. The reduction of apparent allowable pile capacity due to tunnelling-induced pile head settlement was significant, in particular for piles inside the groups.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.17
no.3
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pp.295-308
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2004
In this study, several Soil-Structure-Interaction (SSI) analyses were performed using the developed FE-BE coupling method and the seismic response behavior of the structure's systems was determined. For the verification of the fundamental solution which is used in this analysis method, a dynamic analysis of the homogeneous ground was performed and it was compared to the results of Estorff et al. In order to verify the seismic response analysis, the results are compared with those of another commercial code. Several kindd of SSI analyses were performed and the seismic response associated with the rile foundation, seismic waves and a consideration of the ground nonlinearity were determined. As a result, it was found that the pile foundations didn't greatly helpful during the seismic event.
In order to design accurately sand compaction pile (SCP) method with low replacement area ratio, it is important to understand the mechanical interaction between sand piles and clays and its mechanism during consolidation process of the composition ground. In this paper, a series of numerical analyses on composition ground improved by SCP with low replacement area ratio were carried out, in order to investigate the mechanical interaction between sand piles and clays. The applicability of numerical analyses, in which an elasto-viscoplastic consolidation finite element method was applied, could be confirmed comparing with results of a series of model tests on consolidation behaviors of composition ground improved by SCP. And, through the results of the numerical analyses, each mechanical behavior of sand piles and clays in the composition ground during consolidation was elucidated, together with stress sharing mechanism between sand piles and clays.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.19
no.3
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pp.355-373
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2017
Tunnelling in urban areas, it is essential to understand existing structure-tunnel interactive behavior. Serviced structures in the city are supported by pile foundation, since they are certainly effected due to tunnelling. In this research, thus, pile load distribution and ground behavior due to tunnelling below grouped pile were investigated using laboratory model test. Grouped pile foundations were considered as 2, 3 row pile and offsets (between pile tip and tunnel crown: 0.5D, 1.0D and 1.5D for generalization to tunnel diameter, D means tunnel diameter). Soil in the tank for laboratory model test was formed by loose sand (relative density: Dr = 30%) and strain gauges were attached to the pile inner shaft to estimate distribution of axial force. Also, settlements of grouped pile and adjacent ground surface depending on the offsets were measured by LVDT and dial gauge, respectively. Tunnelling-induced deformation of underground was measured by close range photogrammetric technique. Numerical analysis was conducted to analyze and compare with results from laboratory model test and close range photogrammetry. For expression of tunnel excavation, the concept of volume loss was applied in this study, it was 1.5%. As a result from this study, far offset, the smaller reduction of pile axial load and was appeared trend of settlement was similar among them. Particulary, ratio of pile load and settlement reduction were larger when the offset is from 0.5D to 1.0D than from 1.0D to 1.5D.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.14
no.5
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pp.529-545
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2012
Three-dimensional (3D) finite element analyses have been performed to study the behaviour of a single pile to open face tunnelling in stiff clay. Several key factors such as tunnelling-induced ground and pile settlement, and shear transfer mechanism have been studied in detail. Tunnelling resulted in the development of pile settlement larger than the Greenfield soil surface settlement. In addition, due to changes in the shear transfer between the pile and the soil next to the pile with tunnel advancement, axial force distributions along the pile change drastically. The apparent allowable pile capacity was reduced up to about 30% due to the development of tunnelling-induced pile head settlement. The skin friction on the pile was increased with tunnel advancement associated with the changes of soil stresses and ground deformation and hence axial pile force distribution was reduced. Maximum tunnelling-induced tensile force on the pile was about 21% of the designed pile capacity. The zone of influence on the pile behaviour in the longitudinal direction may be identified as ${\pm}1$-2D (D: tunnel diameter) from the pile centre (behind and ahead of the pile axis in the longitudinal direction) based on the analysis conditions assumed in the current study. Negative excess pore pressure was mobilised near the pile tip, while positive excess pore pressure was computed at the upper part of the pile. It has been found that the serviceability of a pile experiencing adjacent tunnelling is more affected by pile settlement than axial pile force changes.
The most of original horizontal bearing capacity theory of the pile is not efficiently to consider interaction between soil and pile because it is only to consider the earth pressure theory and separately the ground form pile. In recent, in order to improve the pile technology, it is necessary to confirm the real behaviour characteristics of pile under lateral load. Hence, to evaluate the behaviour characteristics of the single and group pile under lateral loads using the strain wedge model that could consider the interaction between soil and piles. Primarily, laboratory scale down model tests was carried out to predict the behaviour characteristics on real size piles using the strain wedge model. The comparative analyses between model test and numerical analysis for the evaluation of whole behaviour were conducted.
Kim, HongTaek;Lee, MyungJae;Park, JeeWoong;Yoon, SoonJong;Han, YeonJin
Journal of the Korean GEO-environmental Society
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v.12
no.8
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pp.59-67
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2011
The interaction of the ground deformation and composite piles, which is made of fiber glass, was analyzed for the effective pile application under vertical loads. This study was performed to conduct experimentation test and propose the material characteristics of the new type concrete injection circular FRP pile for the improvement of the defect of CFFT-Concrete composition piles and FRP-Concrete composition piles(FRP reinforced column direction). Additionally, in order to analyze the behaviour characteristics of composite pile and steel pile the numerical analyses were carried out.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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