The mechanical properties of the concrete-frozen soil interface play a significant role in the stability and service performance of construction projects in cold regions. Current research mainly focuses on the precast concrete-frozen soil interface, with limited consideration for the more realistic cast-in-place concrete-frozen soil interface. The two construction methods result in completely different contact surface morphologies and exhibit significant differences in mechanical properties. Therefore, this study selects silty clay as the research object and conducts direct shear tests on the concrete-frozen soil interface under conditions of initial water content ranging from 12% to 24%, normal stress from 50 kPa to 300 kPa, and freezing temperature of -3℃. The results indicate that (1) both interface shear stress-displacement curves can be divided into three stages: rapid growth of shear stress, softening of shear stress after peak, and residual stability; (2) the peak strength of both interfaces increases initially and then decreases with an increase in water content, while residual strength is relatively less affected by water content; (3) peak strength and residual strength are linearly positively correlated with normal stress, and the strength of ice bonding is less affected by normal stress; (4) the mechanical properties of the cast-in-place concrete-frozen soil interface are significantly better than those of the precast concrete-frozen soil interface. However, when the water content is high, the former's mechanical performance deteriorates much more than the latter, leading to severe strength loss. Therefore, in practical engineering, cast-in-place concrete construction is preferred in cases of higher negative temperatures and lower water content, while precast concrete construction is considered in cases of lower negative temperatures and higher water content. This study provides reference for the construction of frozen soil-structure interface in cold regions and basic data support for improving the stability and service performance of cold region engineering.
A seismic evaluation is made of the response to horizontal ground shaking of cantilever retaining walls using the finite element model in three dimensional space whose verification is provided analytically through the modal analysis technique in case of the assumptions of fixed base, complete bonding behavior at the wall-soil interface, and elastic behavior of soil. Thanks to the versatility of the finite element model, the retained medium is then idealized as a uniform, elastoplastic stratum of constant thickness and semi-infinite extent in the horizontal direction considering debonding behavior at the interface in order to perform comprehensive soil-structure interaction (SSI) analyses. The parameters varied include the flexibility of the wall, the properties of the soil medium, and the characteristics of the ground motion. Two different finite element models corresponding with flexible and rigid wall configurations are studied for six different soil types under the effects of two different ground motions. The response quantities examined incorporate the lateral displacements of the wall relative to the moving base and the stresses in the wall in all directions. The results show that the wall flexibility and soil properties have a major effect on seismic behavior of cantilever retaining walls and should be considered in design criteria of cantilever walls. Furthermore, the results of the numerical investigations are expected to be useful for the better understanding and the optimization of seismic design of this particular type of retaining structure.
Zhang, Chunshun;Ji, Jian;Gui, Yilin;Kodikara, Jayantha;Yang, Sheng-Qi;He, Lei
Geomechanics and Engineering
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v.11
no.3
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pp.361-372
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2016
The soil-concrete interface shear strength, although has been extensively studied, is still difficult to predict as a result of the dependence on many factors such as normal stresses, surface roughness, particle sizes, moisture contents, dilation angles of soils, etc. In this study, a well-known rigorous statistical learning approach, namely the least squares support vector machine (LS-SVM) realized in a ubiquitous spreadsheet platform is firstly used in estimating the soil-structure interface shear strength. Instead of studying the complicated mechanism, LS-SVM enables to explore the possible link between the fundamental factors and the interface shear strengths, via a sophisticated statistic approach. As a preliminary investigation, the authors study the expansive soils that are found extensively in most countries. To reduce the complexity, three major influential factors, e.g., initial moisture contents, initial dry densities and normal stresses of soils are taken into account in developing the LS-SVM models for the soil-concrete interface shear strengths. The predicted results by LS-SVM show reasonably good agreement with experimental data from direct shear tests.
Proceedings of the Korean Society for Rock Mechanics Conference
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2000.09a
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pp.211-222
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2000
The design values of rock socketed pile related with properties of rock mass are not clearly established. However, the drilled shafts socketed in rock are widely used as the foundation of large scaled structure. In this study, the characteristics of behavior of rock socketed pile is researched, and the properties of interface between pile and rock considering soil-structure interaction are evaluated for numerical modeling of rock socketed pile based on the previous researches. Based on the properties of interface and rock mass, the behaviors of rock socketed piles are numerically modeled and compared with field measurement. To verify the numerical analysis, a micro pile socketed in rock is modeled and the results of numerical analysis are compared with field measurement. The numerical results show a good agreement with field measured data, especially in terms of load transfer characteristics.
The design values of rock socketed pile related with properties of rock mass are not clearly established. However, the drilled shafts socketed in rock are widely used as the foundation of large scaled structure. In this study, the characteristics of behavior of rock socketed pile is researched, and the properties of interface between pile and rock considering soil-structure interaction are evaluated for numerical modeling of rock socketed pile based on the previous researches. Based on the properties of interface and rock mass, the behaviors of rock socketed piles are numerically modeled and compared with field measurement. To verify the numerical analysis, a micro pile socketed in rock is modeled and the results of numerical analysis are compared with field measurement. The numerical results show a good agreement with field measured data, especially in terms of load transfer characteristics.
Pile foundations are frequently subjected to dynamic loads, necessitating a thorough investigation of cyclic shear characteristics at pile-soil interfaces. To investigate the influence of soil moisture content and concrete surface roughness on the cyclic shear characteristics of interfaces, a series of cyclic shear tests were conducted using a large-scale indoor direct shear apparatus. The effects of three normal stresses (100, 200, and 300 kPa), four moisture content levels (14%, 19%, 24%, and 29%), and five concrete surface joint roughness coefficients (0.4, 5.8, 9.5, 12.8, and 16.7) on interface shear stress and volumetric strain behavior of residual soil were analyzed. Numerical simulations were employed to analyze the microstructural changes in particles. The results show that the water content has a significant effect on the interface stress-displacement curve. It shows a cyclic hardening type at low water content and a cyclic softening type at high water content. There is a critical roughness on the concrete surface. After exceeding this value, the shear strength of the interface is no longer improved. The number of force chains in the soil increases with the increase of the number of cycles and roughness. The increase of the number of particles in the force chain leads to the increase of the instability of the force chain structure. Therefore, most of the force chains are composed of three particles. The main direction of the normal and tangential contact force anisotropy is closely related to the shear direction. The main direction will deflect with the shear direction, and the deflection angle is about 35°.
Sharifi, Behroozeh;Nouri, Gholamreza;Ghanbari, Ali
Earthquakes and Structures
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v.18
no.6
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pp.667-675
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2020
The current study compares the effect of structure-soil-structure interaction (SSSI) on the dynamic responses of adjacent buildings and isolated structures including soil-structure interaction (SSI) with the responses of fixed-base structures. Structural responses such as the relative acceleration, displacement, drift and shear force were considered under earthquake ground motion excitation. For this purpose, 5-, 10- and 15-story structures with 2-bay moment resisting frames resting on shallow foundations were modeled as a group of buildings in soft soil media. Viscous lateral boundaries and interface elements were applied to the soil model to simulate semi-infinite soil media, frictional contact and probable slip under seismic excitation. The direct method was employed for fully nonlinear time-history dynamic analysis in OpenSees using 3D finite element soil-structure models with different building positions. The results showed that the responses of the grouped structures were strongly influenced by the adjacent structures. The responses were as much as 4 times greater for drift and 2.3 times greater for shear force than the responses of fixed-base models.
Characteristics of interface friction between cohesionless soils and geotechnical structure surfaces play an important role in the analysis of earth load and resistance on the structure. In general, geotechnical structures are mainly composed of either steel or concrete, and their surface roughnesses with respect to soil particle sizes influence the interface characteristics between soils and the structures. Accurate assessment of the interface friction characteristics between soils and structures is important to ensure the safety of geotechnical structures, such as mechanically stabilized earth walls reinforced with inextensible reinforcements, piles embedded into soils, retaining wall backfilled with soils. In this study, based on the database of high quality interface friction tests between frictional soils and solid surfaces from literature, equation representing peak interface friction angle is proposed. The influential factors of the peak interface friction angle are relative roughness between soil and solid surface, relative density of frictional soil, and residual (constant volume) interface friction angle. Futhermore, for the developed equation of the interface friction angle, its uncertainty was assessed statistically based on Goodness-of-fit test results.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.37
no.2
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pp.133-141
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2024
Considering fluid-structure-soil interactions, a finite-element model for a liquid-storage tank is presented and the nonlinear earthquake response analysis is formulated. The tank structure is modeled considering shell elements with geometric and material nonlinearities. The fluid is represented by acoustic elements and combined with the structure using interface elements. To consider the soil-structure interactions, the near- and far-field regions of soil are modeled with solid elements and perfectly matched discrete layers, respectively. This approach is applied to the seismic fragility analysis of a 200,000 kL liquid-storage tank. The fragility curve is observed to be influenced by the amplification and filtering of rock outcrop motions at the site when the soil-structure interactions are considered.
Jahromi, H. Zolghadr;Izzuddin, B.A.;Zdravkovic, L.
Interaction and multiscale mechanics
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v.1
no.1
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pp.33-51
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2008
This paper investigates the modelling of coupled soil-structure interaction problems by domain decomposition techniques. It is assumed that the soil-structure system is physically partitioned into soil and structure subdomains, which are independently modelled. Coupling of the separately modelled partitioned subdomains is undertaken with various algorithms based on the sequential iterative Dirichlet-Neumann sub-structuring method, which ensures compatibility and equilibrium at the interface boundaries of the subdomains. A number of mathematical and computational characteristics of the coupling algorithms, including the convergence conditions and choice of algorithmic parameters leading to enhanced convergence of the iterative method, are discussed. Based on the presented coupling algorithms a simulation environment, utilizing discipline-oriented solvers for nonlinear structural and geotechnical analysis, is developed which is used here to demonstrate the performance characteristics and benefits of various algorithms. Finally, the developed tool is used in a case study involving nonlinear soil-structure interaction analysis between a plane frame and soil subjected to ground excavation. This study highlights the relative performance of the various considered coupling algorithms in modelling real soil-structure interaction problems, in which nonlinearity arises in both the structure and the soil, and leads to important conclusions regarding their adequacy for such problems as well as the prospects for further enhancements.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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