FEM modelling of screw displacement pile interaction with subsoil

• Autorzy: Więcławski Paweł , Krasiński Adam

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2023.147653

Warianty tytułu

PL

Modelowanie MES współpracy pali przemieszczeniowych wkręcanych z podłożem gruntowym

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Predicting the Q-s settlement characteristics of piles is an important element in the designing of pile foundations. The most reliable method in evaluating pile-soil interaction is the static load test, preferably performed with instrumentation for measuring shaft and pile base resistances. This, however, is a mostly post-implementation test. In the design phase, prediction methods are needed, in which numerical simulations play an increasingly popular role. This article proposes a procedure for numerically modeling the interaction of screw displacement piles with soil using the ZSoil 2D FEM program. The procedure takes into account technological characteristics of this type of pile, such as the process of soil expansion during the screwing-in of the auger and the pressure of concrete mix after pile concreting. They significantly affect the soil stress state, which is a key parameter for the pile load capacity. Geotechnical parameters of the subsoil were adopted from CPTU probing and laboratory tests. Due to the physical complexity, a constitutive soil model “Hardening Soil” (HS) was used in the analyses. The modeling procedure was calibrated on the basis of the static load test results of several instrumented piles, which were carried out as part of the “DPDT-Auger” research project. As a result of these calibrations, generalized recommendations were derived for an entire single pile modeling process with the axisymmetric system of ZSoil program. These can be useful in the reliable FEM prediction of the Q-s characteristics for screw displacement piles for practical engineering purposes.

PL

Prognoza osiadania pali fundamentowych pod wpływem obciążeń zewnętrznych jest kluczowym zagadnieniem w projektowaniu posadowień głębokich. Dysponując charakterystyką „Q-s” (obciążenie - osiadanie) można z dobrą dokładnością określić w jaki sposób będzie zachowywała się konstrukcja w trakcie budowy i użytkowania. Najlepszą metodą weryfikacji współpracy pali z podłożem jest próbne obciążenie statyczne, szczególnie cenne w przypadku pali oprzyrządowanych, gdy poza globalną charakterystyką dysponujemy dodatkowo pomiarami oporów gruntu pod podstawą i tarcia na pobocznicy. Ze względu na ograniczenia techniczne i ekonomiczne nie zawsze istnieje możliwość wykonania satysfakcjonującej liczby testów w terenie z zaawansowanym oprzyrządowaniem pomiarowym. Problem częściowo rozwiązuje możliwość symulacji numerycznej. W artykule przedstawiono propozycję procedury modelowania współpracy pali przemieszczeniowych, formowanych za pomocą świdrów rozpierających DPDT, z ośrodkiem gruntowym w programie ZSoil 2018. Rozpatrywany problem potraktowano jako zagadnienie początkowo-brzegowe, dotyczące pala pojedynczego, wymodelowane w układzie osiowo-symetrycznym. Pal wyrażono za pomocą elementów objętościowych. Przedstawiona procedura uwzględnia czynniki technologiczne charakterystyczne dla tego typu pali, takie jak proces rozpierania gruntu przez wkręcanie świdra czy ciśnienie mieszanki betonowej. Procesy te wymodelowano sposobami zastępczymi. Wpływają one istotnie na stan naprężenia w gruncie, czyli kluczowy parametr, od którego zależy nośność pala. Wzdłuż linii styku pala z gruntem (wzdłuż pobocznicy i pod podstawą) zastosowano elementy kontaktowe („interface”). Elementy te są opisywane typowymi parametrami gruntowymi, ale oprócz tego parametrami Kn_mult oraz Kt/Kn. Wartości tych oraz innych parametrów określano na podstawie prób kalibracyjnych. W modelu geometrycznym, uwarstwienie podłoża gruntowego dostosowywano do profilu geotechnicznego wyznaczonego z sondowania statycznego CPTU. Ze względu na znaczną złożoność zagadnienia (fazy z obciążeniami i odciążeniami), w analizach wykorzystano model konstytutywny gruntu „Hardening Soil”. Procedura modelowania została skalibrowana na podstawie wyników próbnych obciążeń statycznych kilku pali oprzyrządowanych pomiarowo, które wykonano w ramach projektu badawczego „DPDT-Auger” nr POIR.04.01.04-00-0124/18 dofinansowanego z NCBiR i środków UE. W wyniku kalibracji wyprowadzono uogólnione zalecenia dotyczące całego procesu modelowania pala pojedynczego w układzie osiowosymetrycznym programu ZSoil, jak również dotyczące wartości parametrów poszczególnych etapów tego modelowania. Pozwolą one na miarodajne i wiarygodne prognozowanie MES charakterystyk “Q-s” pali przemieszczeniowych wkręcanych, przydatnych w praktyce projektowej.

Słowa kluczowe

EN

screw displacement pile; settlement; numerical simulation; finite element method; FEM modelling; ZSoil

PL

metoda elementów skończonych; modelowanie MES; ZSoil; pal przemieszczeniowy; pal wkręcany; osiadanie

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2023
• Tom: Vol. 69, nr 4
• Strony: 157--170
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Więcławski Paweł

• Gdansk University of Technology, Faculty of Civil and Environmental Engineering, Gdańsk Wrzeszcz, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-8681-7083

autor

Krasiński Adam

• Gdansk University of Technology, Faculty of Civil and Environmental Engineering, Gdańsk Wrzeszcz, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-8635-0241

Bibliografia

• [1] PN-EN:1997-1:2008 - Eurocode 7: Geotechnical design - Part 1: General rules. Brussels; Warsaw, 2008.
• [2] A. Krasiński, Pale przemieszczeniowe wkręcane. Współpraca z niespoistym podłożem gruntowym. Politechnika Gdańska, Monografie, vol. 134. Gdńsk, 2013.
• [3] A. Krasiński, ”Świder do wykonywania pali przemieszczeniowych wkręcanych (Auger for making screw displacement piles)”, Poland. Patent PL 235442 B1, Aug. 10, 2020.
• [4] A. Krasiński, P. Więcławski, W. Tisler, T. Kusio, and M. Wiszniewski, Raport końcowy z projektu badawczego “DPDT-Auger”, nr POIR.04.01.04-00-0124/18: “Opracowanie metody i narzędzi do wykonywania kolumn/pali przemieszczeniowych wkręcanych w różnorodnych warunkach gruntowych na obszarze Polski wraz z przygotowaniem metodyki do projektowania i odbioru robót”. Gdańsk, 2022.
• [5] S. Commend, S. Kivell, R.F. Obrzud, K. Podleś, A. Truty, and Th. Zimmermann, Computational geomechanics. Getting started with ZSOIL.PC. Lausanne, Switzerland, 2015.
• [6] Th. Zimmermann, A. Truty, and K. Podleś, Numerics in geotechnics and structures. Switzerland: Rossolis Editions & Zace Services Ltd., 2015.
• [7] A. Truty, Th. Zimmermann, K. Podleś, and R.F. Obrzud, ZSoil manual. Lausanne, Switzerland: Elmepress and Zace Services Limited, 2016.
• [8] A. Truty and R. Obrzud, The hardening soil model - a practical guidebook. Z_Soil.PC 100701 report revised 2.01.2020. Lausanne, Switzerland: GeoDev Sarl, 2020.
• [9] A. Krasiński and M. Wiszniewski, “Static load test on instrumented pile - field data and numerical simulations”, Studia Geotechnica et Mechanica, vol. 39, no. 3, pp. 17-25, 2017, doi: 10.1515/sgem-2017-0026.
• [10] K.-P. Mahutka, F. König, and J. Grabe, “Numerical modelling of pile jacking, driving and vibro driving”, in Proceedings of International Conference on Numerical Simulation of Construction Processes in Geotechnical Engineering for Urban Environment, T. Triantafyllidis, Ed. Rotterdam: Balkema, 2006, pp. 235-246.
• [11] S. Henke and J. Grabe, “Numerical modelling of pile installation”, in Proc. of 17th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering. Alexandria, Egypt, 2009, pp. 1321-1324.
• [12] P. Basu and M. Prezzi, Design and Applications of Drilled Displacement (Screw) Piles. Final Raport FHWA/IN/JTRP-2009/28. Joint Transportation Research Program, Indiana Department of Transportation and Purdue University, 2009.
• [13] A. Krasiński, “Numerical simulation of screw displacement pile interaction with non-cohesive soil”, Archives of Civil and Mechanical Engineering, vol. 14, no. 1, pp. 122-133, 2014, doi: 10.1016/j.acme.2013.05.010.
• [14] A. Krasiński and T. Kusio, “Load-settlement characteristics of piles working in a group”, presented at 19th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, Seoul, 2017.
• [15] J. Konkol, “Numerical analysis of pile installation effects in cohesive soils”, PhD thesis, Faculty of Civil and Environmental Engineering, Gdańsk University of Technology, 2018.
• [16] M. Cudny, Some aspects of the constitutive modelling of natural fine grained soils. Faculty of Civil and Environmental Engineering, Gdańsk University of Technology, Wydawnictwo IMOGEOR, 2013.
• [17] T. Schanz and P.A. Vermeer, “Angles of friction and dilatancy of sand”, Géotechnique, vol. 46, no. 1, pp. 145-151, 1996, doi: 10.1680/geot.1996.46.1.145.
• [18] P.K. Robertson, “Soil classification using the cone penetration test”, Canadian Geotechnical Journal, vol. 27, no. 1, pp. 151-158, 1990, doi: 10.1139/t90-014.
• [19] R. Salgado and M.F. Randolph, “Analysis of cavity expansion in sand”, International Journal of Geomechanics, vol. 1, no. 2, pp. 175-192, 2001, doi: 10.1061/(ASCE)1532-3641(2001)1:2(175).
• [20] A. Krasiński and M. Wiszniewski, “Identification of residual force in static load tests on instrumented screw displacement piles”, Studia Geotechnica et Mechanica, vol. 43, no. 4, pp. 438-451, 2021, doi: 10.2478/sgem-2021-0025.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2024).