Dynamic response of piles under lateral loading: full scale field test and numerical analysis

The topic of soil-structure interaction has received large attention in recent years. The seismic performance of a superstructure can be significantly affected by the behaviour of soil and foundation and their mutual interaction under an earthquake motion. This problem is particularly significant in the case of deep foundations; mechanical properties and geometrical characteristics of soil and piles as well as their mutual interaction may affect the stiffness and damping characteristics of the soil-pile system during earthquake motion.In both research and advanced practice, this problem may be approached with a direct method, modelling the whole dynamic soil-pile system with a 3-D finite element model, or by using theoretical approaches. However, the results of these approaches are very sensitive to the degree of the model refinement and to many parameters that define the dynamic characteristics of the soil-pile system. In this context, experimental results of full- or smallscale in situ and laboratory tests represent an essential instrument to provide parameters for and to validate numerical and analytical methods. However, few full-scale in-situ tests on pile foundations have been reported in the open literature to date. The present work presents an extensive experimental program of full-scale field tests carried out on a group of three steel pipe piles at the tourist port of La Spezia, Italy. Three typologies of dynamic tests are carried out at different level of force: impact load test, free vibration test, and forced vibration test. The piles are vibro-driven into marine soft clay, with a L-shaped plan layout, kept free at the head. Two test campaigns have been carried out, the first 1 week and the second 10 weeks after vibro-driving of the piles. The piles are instrumented with an unconventional technique for field tests in marine environment which includes accelerometers at the head of each pile, strain gages and pore pressure gages along the fully instrumented corner pile. The dynamic behaviour of the complex soil-water-pile system at different levels of force is discussed. In particular the response of the single pile, in terms of natural frequencies, damping and mode shapes of the first and second pile bending modes is presented. Effects of the input direction in the pile-to-pile interaction are also evaluated. The variation in time of the dynamic behaviour of the system (for the two campaigns), due to re-consolidation of the soil close to the pile subsequent to the vibrodriving, is observed. An average shear wave velocity of the upper soil is estimated from the time delays of the accelerometer signals recorded at the head of piles. The experimental results are then compared with numerical results obtained with different approaches: two 3-D finite element models are developed in ABAQUS, considering solid or shell elements for the piles, and calibrated on the basis of experimental results; and a 3-D model for the kinematic interaction analysis of pile groups, formulated by Dezi et al. (2009) is here specialized to simulate the tests of the experimental campaign.

Negli ultimi anni il tema dell’interazione terreno-struttura ha suscitato un’attenzione particolare nel campo dell’ingegneria geotecnica e strutturale. Le caratteristiche dinamiche del sistema terreno-fondazione possono condizionare fortemente il comportamento sismico della struttura di elevazione. Questo problema è particolarmente importante nel caso di fondazioni profonde: le proprietà meccaniche e la geometria del terreno e delle fondazioni,così come la loro mutua interazione, possono influenzare le caratteristiche di rigidezza e smorzamento del sistema suolo-palo durante il moto sismico. Sia nella ricerca che nella progettazione avanzata questo problema può essere studiato in modo diretto, modellando l’intero sistema dinamico suolo-palo con un modello 3D agli elementi finiti, o utilizzando metodi teorici. I risultati di questi approcci sono molto sensibili al grado di dettaglio del modello e a molti parametri che definiscono le caratteristiche dinamiche del sistema terreno-palo. In questo contesto, i risultati di test sperimentali in situ, in vera grandezza o in scala ridotta, e i risultati di test di laboratorio rappresentano uno strumento essenziale per fornire i parametri necessari ai modelli numerici e analitici e per validarne i risultati. Tuttavia, in letteratura non sono molti i lavori che riguardano prove in situ in vera grandezza su fondazioni profonde. Questo lavoro presenta un esteso programma di prove sperimentali in situ in vera grandezza condotto su un gruppo di tre pali in acciaio al porto turistico di La Spezia, in Italia. Il programma comprende tre tipologie di prove dinamiche con differenti livelli di eccitazione: prove di impatto, prove di vibrazione libera e di vibrazione forzata. I pali sono vibro-infissi in argilla marina soffice in una configurazione ad L e non sono vincolati in testa. Il programma di prove è stato eseguito in due tempi: la prima campagna una settimana dopo la vibro-infissione dei pali e la seconda dopo dieci settimane. I pali sono stati strumentati con accelerometri disposti in testa a ciascun palo e con strain gages e trasduttori di pressione disposti lungo il palo d’angolo, utilizzando una tecnica non convenzionale per prove in sito in ambiente marino. Viene presentato e discusso il comportamento dinamico del complesso sistema suolo-acqua-palo soggetto a diversi livelli di forza. Con riferimento al palo singolo, ne viene presentata la risposta in termini di frequenze naturali, smorzamenti e forme modali dei primi due modi flessionali. Con riferimento al gruppo di pali sono valutati gli effetti dell’interazione palo-palo dovuti alla propagazione di diversi tipi di onde, in relazione alla direzione dell’azione. Si discute la variazione del comportamento dinamico del sistema nel tempo (per le due campagne di prove) dovuta alla ri-consolidazione del terreno vicino ai pali susseguente la vibro-infissione. Inoltre, viene effettuata una stima della velocità delle onde di taglio dello strato di terreno superficiale sulla base della misurazione dei ritardi temporali dei segnali accelerometrici alla testa dei pali. I risultati sperimentali sono inoltre confrontati con quelli ottenuti mediante differenti approcci numerici: in particolare sono stati sviluppati due differenti modelli 3D agli elementi finiti in ABAQUS, considerando elementi di tipo solido o di tipo shell per la modellazione dei pali, i cui parametri sono calibrati sulla base dei risultati sperimentali. Infine si mostrano i confronti con i risultati ottenuti mediante il modello 3D per l’analisi cinematica di fondazioni su pali formulato da Dezi et al. (2009), opportunamente modificato al fine di simulare le prove della campagna sperimentale.