Pile penetration in crushable soils: Insights from micromechanical modelling

Matteo Ciantia, C. O’Sullivan, Richard J. Jardine

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Abstract

A 3D discrete element model (DEM) was used to simulate calibration chamber experiments of a cone shaped tip pile penetrating into crushable granular media. Both monotonic and cyclic jacking are considered. Particle crushing is simulated by employing a rigorous breakage criterion applied to elasto-brittle spheres. Particle scaling is used to limit the number of particles considered and it is shown that, above a threshold limit, the penetration curves become scale independent, provided a scalable crushing model is used. The particle crushing model parameters were calibrated by matching triaxial and one-dimensional compression tests. The DEM model could capture the stress measurements made around a model pile during and after its penetration into sand relatively well. The particle-scale mechanics that underlie the observed macroscopic responses are analysed, placing emphasis on the distribution of crushing events around the pile tip and distributions of particle stresses and forces around the shaft. Comparing simulations made with crushable and uncrushable grains, and analysing the particle displacement fields, provides insights into one of the mechanisms proposed for the well-known, yet not fully understood, marked shaft capacity increases developed over time by piles driven in sands.

RÉSUMÉ:
Un modèle 3D d'éléments discrets (DEM) est utilisé pour prédire les expériences en chambre d'étalonnage de la pénétration de cônes et de pieux dans des supports pouvant être écrasés, à la fois par fonçage monotone et cyclique. Un modèle de broyage de particules basé sur un critère de rupture rigoureux pour les sphères élasto-fragiles est utilisé. Une mise à l'échelle des particules est réalisée pour limiter le nombre total de particules. Il est montré qu'au-delà d’un nombre minimum de particules, les courbes de pénétration deviennent indépendantes de leur taille, à condition qu'un modèle de broyage évolutif soit utilisé. Le modèle, calibré en faisant correspondre les tests de compression triaxiale et unidimensionnelle, fournit de bonnes prévisions pour les mesures de contrainte effectuées lors d’essais de pieux, pendant et après les phases de pénétration. Les caractéristiques micromécaniques expliquant les réponses macroscopiques observées sont analysées. Il s’agit notamment d’identifier la répartition de l’intensité de broyage autour de la pointe du pieu et d’analyser en détail les contraintes exercées par les particules et les chaînes de force autour du fût du pieu. La comparaison de simulations réalisées avec ou sans grains broyables, ainsi que l'analyse des champs de déplacement de particules, offrent une explication possible de l'impact bien connu, mais pas encore bien compris, du vieillissement sur la capacité du fût de pieux battus dans le sable.
Original languageEnglish
Title of host publicationProceedings of the XVII ECSMGE-2019
Subtitle of host publicationGeotechnical Engineering foundation of the future
PublisherInternational Society for Soil Mechanics and Geotechnical Engineering
Number of pages20
ISBN (Print)978-9935-9436-1-3
DOIs
Publication statusPublished - 5 Sep 2019
Event17th European Conference on soil Mechanics and Geotechnical Engineering (ECSMGE 2019) - Reykjavik, Reykjavik, Iceland
Duration: 1 Sep 20196 Sep 2019
https://www.ecsmge-2019.com/

Conference

Conference17th European Conference on soil Mechanics and Geotechnical Engineering (ECSMGE 2019)
CountryIceland
CityReykjavik
Period1/09/196/09/19
Internet address

Keywords

  • Discrete-element modelling
  • Piles
  • Particle crushing/crushability
  • Stress path
  • Stress analysis

Fingerprint Dive into the research topics of 'Pile penetration in crushable soils: Insights from micromechanical modelling'. Together they form a unique fingerprint.

  • Prizes

    ISSMGE Bright Spark Lecture

    Ciantia, Matteo (Recipient), 2 Sep 2019

    Prize: Prize (including medals and awards)

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    Ciantia, M., O’Sullivan, C., & Jardine, R. J. (2019). Pile penetration in crushable soils: Insights from micromechanical modelling . In Proceedings of the XVII ECSMGE-2019 : Geotechnical Engineering foundation of the future International Society for Soil Mechanics and Geotechnical Engineering. https://doi.org/10.32075/17ECSMGE-2019-1111