Centrifuge modeling of torsional response of piles in sand

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Abstract

Centrifuge model tests were performed to investigate the torsional behavior of a well-instrumented model pile jacked into loose and dense sand. The whole process of pile jacking, torsional loading, and pile extraction was conducted in-flight at 40g using a four-axis robotic manipulator. The torsional response at the pile head, distributions of torque and shaft friction along the pile shaft, torsional load transfer, and loading rate effects were studied. The shaft resistances along the pile during torsional loading, compression loading, and tension loading were compared. The shear stress – local pile movement curves obtained from the present torsional load tests were found to be approximately hyperbolic and similar to those obtained from axial load tests reported in the literature. The torsional shear stress distribution along the pile shaft was influenced by stress degradation effects, particularly in the loose sand. A criterion was proposed to define pile failure under torsional loading. Torsional loading rates in the range of 1–8°/s had little effect on the torsional resistance of the pile. Depending on the initial state of the soil around the pile, the shaft resistance under torsional loading may be greater than that under axial loading when the horizontal stress is larger than the vertical stress, but smaller when the horizontal stress is smaller than the vertical stress.

On a fait des essais sur modèle au centrifuge pour étudier le comportement en torsion d'un pieu modèle bien instrumenté foncé dans un sable meuble ou dense. Le processus complet de fonçage, de chargement par torsion et d'extraction du pieu a été réalisé durant le centrifugation à 40g en utilisant un robot manipulateur à quatre axes. On a étudié la réaction en torsion de la tête du pieu, les distributions du torque et de la friction le long du fût du pieu et les effets de la vitesse de chargement. Les résistances le long du pieu durant les chargements en torsion, en compression, et en traction ont été comparées. On a trouvé que les courbes de mouvement dues à la contrainte de cisaillement locale obtenues des présents essais de torsion étaient approximativement hyperboliques et similaires à celles obtenues par des essais de chargement axial rapportés dans la littérature. La distribution de la contrainte de cisaillement en torsion le long du fût a été influencée par les effets de la dégradation de la contrainte, particulièrement dans le sable meuble. On a proposé un critère pour définir la rupture d'un pieu sous un chargement en torsion. Des vitesses de torsion de l'ordre de 1 à 8°/s ont eu peu d'effet sur la résistance en torsion du pieu. Dépendant de l'état initial du sol autour du pieu, la résistance du fût sous un chargement en torsion peut être plus grande que celle sous un chargement axial lorsque la contrainte horizontale est plus grande que la contrainte verticale, mais plus petite lorsque la contrainte horizontale est plus petite que la contrainte verticale.

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